Định luật Ohm vẫn đúng ở cấp độ nguyên tử

Một kĩ thuật mới nhúng các dây cỡ nguyên tử vào bên trong tinh thể silicon cho thấy định luật Ohm có thể vẫn đúng đối với những sợi dây chỉ dày bốn nguyên tử và cao một nguyên tử. Kết quả trên xuất hiện thật bất ngờ vì lâu nay người ta nghĩ rằng các hiệu ứng lượng tử có thể gây ra những sai lệch lớn khỏi định luật Ohm đối với những sợi dây nhỏ xíu như thế. Thật nghịch lí, các nhà nghiên cứu hi vọng kết quả trên sẽ giúp phát triển các máy tính lượng tử.

Khi nhà sản xuất chip tăng dần số lượng mạch điện trên các bánh xốp silicon, kích cỡ của transistor và những dụng cụ khác đang tiến gần đến cấp độ nguyên tử. Ngoài những thách thức hoàn toàn mang tính công nghệ của việc chế tạo những dụng cụ ngày một nhỏ hơn, nhiều nhà vật lí lo ngại rằng tính mập mờ cố hữu của cơ học lượng tử sẽ sớm đưa các định luật điện tử học cổ điển quen thuộc trở nên lỗi thời.

Ảnh chụp hiển vi quét chui hầm cho thấy một sợi dây dẫn điện cao chỉ rộng bốn nguyên tử. (Ảnh: Bent Weber)

Để nghiên cứu sự dẫn điện ở cấp độ nguyên tử, Michelle Simmons, Bent Weber cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học New South Wales ở Australia vừa phát triển một phương pháp sử dụng các nguyên tử phosphorus nhúng trong những vùng dẫn điện mỏng cỡ nguyên tử bên trong tinh thể của khối silicon. Phosphorus có nhiều hơn silicon một electron trong lớp vỏ ngoài cùng của nó và nếu một nguyên tử silicon bị thay thế bởi một nguyên tử phosphorus (một quá trình gọi là pha tạp p) thì nó giải phóng một electron tự do vào tinh thể, vì thế làm tăng độ dẫn điện của vùng pha tạp chất.

“Thành tựu đáng chú ý”

Trong cái mà nhà vật lí vật chất ngưng tụ David Ferry thuộc trường Đại học Bang Arizona ở Mĩ mô tả là “một thành tựu đáng chú ý”, đội của Simmon sử dụng đầu nhọn của một kính hiển vi khảo sát quét để tạo ra một kênh trong silicon bằng cách lấy bỏ những lớp nguyên tử silicon. Bề mặt này sau đó được phơi trước chất khí phosphorus, sau đó cho lắng các nguyên tử silicon. Kết quả là một chuỗi nguyên tử phosphorus nhúng bên trong tinh thể silicon – tác dụng như một sợi dây cỡ nguyên tử. Đội nghiên cứu tìm thấy điện trở suất của những sợi dây này giữ không đổi cho đến cấp độ nguyên tử. Điều này có nghĩa là điện trở của một sợi dây như thế tỉ lệ với chiều dài của nó và tỉ lệ nghịch tới tiết diện của nó, giống hệt như cái bạn trông đợi từ định luật Ohm.

Mặc dù Simmons cho biết các kĩ thuật dùng để tạo ra các dây dẫn như thế hiện nay không thể triển khai theo quy trình công nghiệp, nhưng Ferry tin rằng nó là một minh chứng có giá trị rằng, trên nguyên tắc, sự thu nhỏ các linh kiện cổ điển có thể tiếp tục diễn ra trong vài năm nữa. “Các công ti như Intel đã lo ngại về việc chế tạo những dụng cụ của họ quá nhỏ sẽ làm cho cơ học lượng tử lấn át trong hành trạng của chúng,” ông nói. Các chiều dài cổng transistor hiện nay là khoảng 22 nm, bằng khoảng 100 lần khoảng cách giữa từng nguyên tử silicon. “Có sự lo ngại trước việc những dụng cụ này có thể trở nên nhỏ như thế nào trước khi các hiệu ứng lượng tử xảy ra, và kết quả này cho thấy chúng vẫn có một vài thế hệ nữa,” Ferry nói.

Xử lí từng nguyên tử

Tuy nhiên, nhóm của Simmons không quan tâm đến các dụng cụ điện tử thông thường và thay vậy, họ đang hướng tới phát triển máy tính lượng tử. Đội nghiên cứu hi vọng sử dụng từng nguyên tử phosphorus này làm bit lượng tử hay qubit. “Chúng tôi đang phát triển những dụng cụ đơn nguyên tử,” Simmons giải thích, “và trong phát triển đó chúng tôi nhận ra rằng để có thể xử lí từng nguyên tử, chúng tôi phải có thể chế tạo các điện cực có cùng kích cỡ - và chúng tôi đang sử dụng những sợi dây này vì mục tiêu đó.”

Ở đây, Ferry có chút hoài nghi hơn, không chỉ về phương pháp đó mà cả về sự điện toán lượng tử nói chung. “Tôi bị xem là một trong những ‘phần tử chống đối’ trong thế giới đó,” ông nói. Thật vậy, ông còn đề xuất rằng sự bền bỉ của hiện tượng cổ điển ở cấp độ nguyên tử như thế có thể khiến người ta khó sử dụng các nguyên tử phosphorus là qubit.

Tuy nhiên, Simmons vẫn lạc quan. “Hồi 5 năm trước, có rất nhiều rào cản tiềm tàng đối với sự phát triển một máy tính lượng tử gốc phosphorus và chúng tôi đã dần dần khắc phục những rào cản đó, từng chút một. Hiện tại, tôi dự đoán thách thức to lớn đối với sự điện toán lượng tử là chế tạo ra một hệ có thể tăng giảm cỡ. Chắc chắn những sợi dây này là rất có ích khi hướng tới mục tiêu đó,” bà nói.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.

Dịch bởi KaDick – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn