Dùng khối sapphire giá hơn 1 tỷ làm cảm biến lượng tử, các nhà khoa học cuối cùng phát hiện: Thay 2 quả nho vào, tốn có 1.000 đồng, nhưng lại cho hiệu suất gấp đôi

Trong một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Physical Review Applied, các nhà khoa học đến từ Đại học Maccquarie, Australia cho biết họ đã vừa đạt được một bước tiến nhảy vọt trong lĩnh vực phát triển cảm biến lượng tử.

Cảm biến lượng tử là những cảm biến lợi dụng các hiệu ứng lượng tử như vướng víu lượng tử, giao thoa lượng tử và nén trạng thái lượng tử để vượt qua mức sai số tới hạn mà các cảm biến sử dụng dòng điện thông thường không thể đạt tới được.

Với độ chính xác tuyệt đối, cảm biến lượng tử là một phần không thể thiếu của máy tính lượng tử, đồng hồ nguyên tử và các thiết bị đo siêu chính xác như máy dò sóng hấp dẫn.

Cũng bởi vậy mà từ lâu, các nhà khoa học đã luôn phải tìm cách nâng cao hiệu suất đo đạc của cảm biến lượng tử, bằng cách tìm ra các vật liệu mới, tinh chỉnh các bộ phận và cơ chế đo của chúng.

Chẳng hạn như việc chế tạo ra các buồng cộng hưởng bằng đá sapphire nguyên chất, giúp ổn định tần số, giảm nhiễu và tăng độ nhạy của cảm biến.

Vì sapphire rất đắt, những buồng cộng hưởng thường có giá không dưới 1 tỷ VNĐ. Các công ty đá quý rất thích điều này, bởi họ có thể bán cho các nhà khoa học những khối sapphire lên tới 50 carat mà không gì có thể thay thế được.

Nhưng mọi chuyện sẽ sớm thay đổi. Sau khi một nhóm các nhà khoa học tại Đại học Maccquarie "nghịch ngợm" lấy hai quả nho thay thế vào vị trí của các buồng cộng hưởng làm bằng sapphire, họ đột nhiên thấy hiệu suất của cảm biến lượng tử tăng lên gấp đôi.

So sánh về giá, một cân nho mua ở ngoài chợ có giá chỉ hơn 100.000 VNĐ. Hai quả nho nặng khoảng 10 gam tính ra chỉ nhỉnh 1.000 đồng. Vì vậy, chúng ta đang nói đến một vật liệu rẻ hơn tới 1 triệu lần nhưng có thể làm thay nhiệm vụ cho các khối sapphire có giá hơn 1 tỷ trong cảm biến lượng tử.

Các công ty đá quý chắc chắn sẽ không thích điều này, bởi họ sắp mất đi một nguồn khách hàng tiềm năng là những nhà khoa học lượng tử. Nhưng những tiểu thương bán nho ngoài chợ sẽ rất thích.

Họ sẽ sớm thấy các nhà khoa học đi chợ.

Tại sao nho có thể thay thế cho sapphire trong cảm biến lượng tử?

Để hiểu được điều kỳ lạ này, chúng ta phải quay trở lại tìm hiểu nguyên lý làm việc của cảm biến lượng tử. Như đã nói, cảm biến lượng tử lợi dụng các nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử để đo đạc.

Vì vậy, chúng phải được chế tạo từ các bộ phận có "linh kiện lượng tử" siêu nhỏ, nhỏ tới mức nguyên tử để đạt tới được hiệu ứng.

Một trong số các linh kiện lượng tử mà các nhà khoa học hay dùng trong cảm biến lượng tử là kim cương. Các khối kim cương có mạng tinh thể bằng carbon, nhưng ở một số vị trí bị lẫn vào tạp chất nitơ, một nguyên tử N sẽ thay thế một nguyên tử C. Đây chính là thứ tạo ra màu sắc óng ánh của kim cương.

" Kim cương nguyên chất không màu, nhưng khi một số nguyên tử nhất định thay thế các nguyên tử carbon, chúng có thể hình thành nên cái gọi là các tâm 'khuyết tật' có tính chất quang học" , tiến sĩ Sarath Raman Nair, giảng viên công nghệ lượng tử tại Đại học Macquarie, cho biết.

Không chỉ tạo ra màu sắc cho kim cương, các khuyết tật Nitơ cũng có thể được sử dụng như một linh kiện lượng tử giúp các nhà khoa học chế tạo cảm biến.

" Chúng tôi sử dụng các tâm Nitơ khuyết tật của kim cương nano trong nghiên cứu này, bởi chúng hoạt động giống như những nam châm siêu nhỏ có thể dùng như cảm biến lượng tử" , tiến sĩ Nair nói.

Các "nam châm" này có khả năng phát hiện từ trường, nhưng để đạt được tới độ nhạy nhất định, từ trường xung quanh nam châm cần được tăng cường. Đây chính là nơi mà các buồng cộng hưởng bằng sapphire phát huy tác dụng.

Các buồng sapphire nguyên chất này có nhiệm vụ tập trung năng lượng vi sóng, làm electron của nhôm oxyt (Al2O3) bên trong nó dao động ở một tần số nhất định. Các dao động này tạo ra cái mà các nhà khoa học gọi là "điểm nóng từ trường cục bộ", thứ mà các khuyết tật Nitơ trong kim cương có thể dễ dàng phát hiện ra.

Hiểu một cách đơn giản, các buồng cộng hưởng bằng sapphire làm nhiệm vụ như một chiếc kính lúp. Nó khuếch đại trường điện từ siêu nhỏ, để cho các cảm biến kim cương nano có thể "nhìn thấy".

Nhưng hóa ra, nho cũng có thể làm được điều đó

Khả năng khuếch đại vi sóng của nho đã được phát hiện từ năm 1994 nhờ vào một tai nạn. Trong đó, một người đàn ông đã cho nho vào lò vi sóng và kết quả là chiếc lò đã nổ tung.

Các nhà khoa học cho biết đó là do nho có chứa rất nhiều nước, quả của nó lại có hình gần giống với hình cầu, với lớp vỏ dai nên nho có khả năng tập trung vi sóng rất mạnh.

Để hai quả nho cạnh nhau trong lò vi sóng, chúng có thể phát ra cả các tia lửa plasma có nhiệt độ lên tới 10.000 độ C.

Các nhà khoa học tại Đại học Maccquarie cho biết họ đã dựa vào hiệu ứng này của nho để khuếch đại trường từ xung quanh cảm biến kim cương nano của mình.

Bằng cách đặt hai quả nho cạnh nhau, xuyên một ống sợi thủy tinh vào giữa và đặt một viên kim cương nano ở đầu ống, họ đã chế tạo ra được một cảm biến lượng tử đơn giản.

Khi ánh sáng laser màu xanh lá cây được chiếu qua sợi thủy tinh, cảm biến có thể làm cho các khuyết tật Nitơ trong kim cương nano phát ra sáng màu đỏ. Độ sáng của ánh sáng đỏ này có thể đo cường độ của trường vi sóng xung quanh hai quả nho.

" Sử dụng kỹ thuật này, chúng tôi thấy từ trường của bức xạ vi sóng mạnh gấp đôi khi chúng tôi cho nho vào" , Ali Fawaz, một nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý lượng tử tại Đại học Macquarie, đồng tác giả nghiên cứu cho biết.

"Nước thực sự tốt hơn sapphire trong việc tập trung năng lượng vi sóng nhưng nó cũng kém ổn định hơn và mất nhiều năng lượng hơn trong quá trình này. Đó là thách thức chính mà chúng tôi cần giải quyết".

Vì vậy, chìa khóa ở đây chính là nước trong nho. Các nhà khoa học cho biết nghiên cứu này đã mở đường cho một ý tưởng mới, trong đó, họ có thể tìm cách chế tạo các buồng cộng hưởng chứa nước để thay thế cho buồng sapphire đắt đỏ.

Các buồng cộng hưởng vi sóng này có thể được sử dụng trong các công nghệ như vệ tinh, maser và hệ thống lượng tử, nơi trường từ bị giới hạn trong các khu vực nhỏ. Trong các ứng dụng lượng tử, chúng được dùng để điều khiển các hệ thống như qubit spin thông qua từ trường.

"Nghiên cứu này sẽ mở ra một hướng đi khác để khám phá các thiết kế bộ cộng hưởng vi sóng thay thế cho công nghệ lượng tử, có khả năng dẫn đến các thiết bị cảm biến lượng tử nhỏ gọn và hiệu quả hơn ", Giáo sư Thomas Volz, tác giả chính của nghiên cứu, người đứng đầu Nhóm Vật liệu và Ứng dụng Lượng tử tại Khoa Khoa học Toán học và Vật lý của Đại học Macquarie, cho biết.

Trong khi chờ đợi các buồng cộng hưởng chứa nước chính xác hơn được các nhà khoa học chế tạo, những quả nho chắc chắn vẫn sẽ được các nhà khoa học sử dụng. Họ đã thử nghiệm hiệu ứng khuếch đại vi sóng và phát hiện những quả nho có đường kính khoảng 2,7 cm sẽ cho hiệu ứng cộng hưởng mạnh nhất.

Vì vậy, lời khuyên cho các tiểu thương đang bán nho ngoài chợ là hãy giữ lại những quả nho này, trong trường hợp họ muốn bán chúng với giá cao hơn bình thường.

Sẽ có những nhà khoa học lượng tử tìm tới, và họ sẵn sàng trả bất cứ cái giá nào để mua nho có đường kính 2,7 cm, bởi nếu không, họ sẽ phải mất cả tỷ bạc để mua đá quý sapphire về làm cảm biến lượng tử.