Lần đầu tiên nhìn thấy ‘hiệu ứng Josephson từ tính’

Một tiên đoán cơ bản của lí thuyết siêu dẫn lần đầu tiên đã được chứng minh trong phòng thí nghiệm. Một đội gồm những nhà vật lí quốc tế vừa quan sát thấy sự trượt pha lượng tử kết hợp, một hiện tượng tương tự với hiệu ứng Josephson đã biết trong đó từ thông thay cho vai trò của điện tích. Khám phá có thể mang lại những gợi ý cơ bản cho kiến thức của chúng ta về những hệ lượng tử vĩ mô và còn có thể dẫn tới những ứng dụng hấp dẫn, ví dụ như một cách tạo ra qubit trong máy tính lượng tử.

Vào năm 1962, nhà vật lí người Anh Brian Josephson đã phát triển một lí thuyết giải thích các electron siêu dẫn chui hầm như thế nào qua một lớp cách điện mỏng nằm giữa hai chất siêu dẫn – một cấu trúc ngày nay gọi là tiếp giáp Josephson. Lí thuyết này nhanh chóng được xác thực trong phòng thí nghiệm và Josephson nhận Giải Nobel Vật lí năm 1973. Tiếp giáp Josephson đã trở thành một công nghệ quan trọng. Ví dụ, các dụng cụ giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID), phụ thuộc vào thiết kế của chúng, sử dụng một hoặc hai tiếp giáp Josephson là những từ kế nhạy nhất từng được người ta phát minh. Các dụng cụ trên còn tỏ ra triển vọng với vai trò là những bit lượng tử (qubit) trong máy tính lượng tử.

Ảnh chụp hiển vi cho thấy một vòng chất siêu dẫn dùng để chứng minh sự trượt pha lượng tử kết hợp. Ảnh bên trái thể hiện vòng chất siêu dẫn và ảnh bên phải là phần phóng to cho thấy chất siêu dẫn chạm lại thành dây nano như thế nào. Từ trường đặt vào vuông góc với vòng chất. (Ảnh: RIKEN)

Sự trượt pha qua một chất siêu dẫn

Hồi năm 2006, Hans Mooji và Yuli Nazarov tại trường Đại học Delft ở Hà Lan đã tiến hành nghiên cứu lí thuyết về sự chui hầm lượng tử của từ thông giữa hai vùng không gian tự do qua một lớp siêu dẫn mỏng. Hiệu ứng này được gọi là sự trượt pha lượng tử kết hợp, và Mooji và Nazarov cho rằng nó là một tương tự chính xác của hiệu ứng Josephson. Đây là vì, trong khi không gian tự do không biểu hiện sự cản trở đối với dòng từ thông, nhưng một trong những tính chất cơ bản của một siêu dẫn là hiệu ứng Meissner, nhờ đó nó đẩy mọi từ trường ra khỏi phần bên trong của nó. Do đó, nó hành xử giống như cái tương đương từ tính của một chất cách điện. Tuy nhiên, trong 6 năm sau đó, chưa có ai từng chứng minh thành công rằng sự trượt pha lượng tử kết hợp qua một chất siêu dẫn thật sự có thể xảy ra hay không.

Nay Oleg Astafiev và các đồng sự tại Phòng nghiên cứu Đổi mới NEC Green và Viện Nghiên cứu Lí Hóa ở Ibaraki, Nhật Bản, đang khẳng định những quan sát thực nghiệm đầu tiên của sự trượt pha lượng tử kết hợp.

Thí nghiệm tiến hành trên một mạch cơ lượng tử gọi là một qubit Mooji–Harmans – một vòng chất siêu dẫn khép lại tại một điểm thành một dây nano rất mỏng. Nếu sự trượt pha lượng tử kết hợp không xảy ra, thì từ thông bên trong vòng sẽ không thể rò ra ngoài, và từ thông bên ngoài sẽ không thể đi vào trong vì tính không thể thâm nhập của chất siêu dẫn đối với từ trường. Tuy nhiên, nhóm của Astafiev đã quan sát thấy bằng chứng rõ ràng của sự tương tác từ giữa phần bên trong và phần bên ngoài của vòng trong khi cái vòng vẫn ở trong trạng thái siêu dẫn – bằng chứng rõ ràng cho thấy từ thông đang đi qua dây nano do sự chui hầm lượng tử.

“Hai chi tiết quan trọng”

Alexey Bezryadin, tại trường Đại học Illinois ở Urbana-Champaign, tin rằng công trình trên đánh dấu một thành tựu quan trọng, cả theo sự tiến bộ của nó trong lĩnh vực vật lí cơ bản và tiềm năng ứng dụng của nó. “Tôi muốn nói có hai chi tiết quan trọng trong nghiên cứu này,” ông nói. “Một là việc quan sát thấy sự trượt pha lượng tử kết hợp như thế này mở rộng khả năng áp dụng cơ học lượng tử cho nhiều hệ vĩ mô phức tạp hơn. Xét về mặt ứng dụng thì có những dự đoán rằng nếu sự trượt pha lượng tử có thể tồn tại (và bài báo này chứng minh chúng tồn tại) thì bạn có thể sử dụng chúng để xây dựng những dụng cụ có ích nhất định.”

Astafiev tán thành ý kiến: “Hiện tượng mà chúng tôi chứng minh được là căn bản. Tôi muốn nói là nó căn bản như hiệu ứng Josephson vậy. Cơ sở vật lí Josephson tỏ ra rất phong phú và có nhiều dụng cụ rất hữu ích được xây dựng trên hiệu ứng Josephson.” Ông tin rằng người ta sẽ có thể khai thác sự trượt pha lượng tử kết hợp để chế tạo ra những dụng cụ tương tự với các dụng cụ xây dựng trên tiếp giáp Josephson. Đặc biệt, Astafiev, người hết sức quan tâm đến sự điện toán lượng tử, hi vọng rằng các qubit xây dựng trên sự trượt pha lượng tử kết hợp có thể sẽ không bị “nhiễu điện tích” – một loại nhiễu gây ra bởi sự có mặt của một chất cách điện có xu hướng gây ra sự mất kết hợp lượng tử trong các qubit Josephson.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.

KaDick – thuvienvatly.com
Theo 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