Kéo dãn 'graphene trắng' để điều chỉnh mức năng lượng ánh sáng, nghiên cứu của tiến sĩ gốc Việt tạo ra bước tiến quan trọng cho ngành liên lạc lượng tử

'Chúng tôi tin rằng nghiên cứu của mình có thể mở ra các thí nghiệm vật lý cơ bản để xây dựng nền tảng cho sự phát triển của hệ thống Internet lượng tử trong tương lai.'

Trong suốt thời gian dài, việc điều chỉnh năng lượng của ánh sáng lượng tử đã được coi là chìa khóa quan trọng cho sự phát triển của mạng lưới thông tin lượng tử, nơi mà các hạt photon được sử dụng để truyền thông tin giữa các trạm phát xa nhau. Tuy nhiên, công nghệ truyền tin lượng tử vẫn gặp nhiều hạn chế về mặt kỹ thuật, đặc biệt là trong việc điều khiển năng lượng của nguồn sáng lượng tử.

Các nhà khoa học từ Đại Học Công Nghệ Sydney (UTS) và Đại Học Quốc Gia Úc (ANU), dẫn đầu bởi Tiến sĩ Trần Trọng Toàn và Mendelson Noah cùng các đồng nghiệp khác, đã tìm ra một giải pháp đột phá cho vấn đề này: bằng cách sử dụng khả năng chịu được kéo giãn cực cao của vật liệu hai chiều Boron Nitride Lục Giác, hay còn gọi là 'Graphene Trắng' với cấu trúc tương tự như vật liệu graphene.

Công trình nghiên cứu của họ đã lập kỷ lục thế giới về mức độ điều chỉnh năng lượng của ánh sáng lượng tử từ vật liệu hai chiều, lớn hơn gần 10 lần so với nghiên cứu gần đây nhất. Nghiên cứu này hứa hẹn sẽ giúp các nhóm nghiên cứu khác tiến triển nhanh hơn trong việc phát triển mạng lưới thông tin lượng tử cũng như các công nghệ lượng tử khác. Kết quả mới này đã được công bố trên tạp chí Advanced Materials, một trong những tạp chí hàng đầu thế giới về khoa học vật liệu và công nghệ vật liệu.

Sử dụng một phương pháp tổng hợp đặc biệt tại phòng thí nghiệm ở UTS, các nhà nghiên cứu đã tạo ra vật liệu hai chiều Boron Nitride Lục Giác chứa các nguồn sáng lượng tử mạnh mẽ và bền bỉ dưới điều kiện nhiệt độ phòng. Sau đó, họ sử dụng các thiết bị chuyên dụng để kéo dãn mạng tinh thể của vật liệu này, với mục đích là biến dạng các nguồn sáng và từ đó điều chỉnh năng lượng của ánh sáng lượng tử phát ra từ chúng. Mức năng lượng của ánh sáng được biểu hiện thông qua các màu sắc khác nhau của ánh sáng phát ra từ nguồn sáng lượng tử.

'Giống như việc bạn kéo dãn một sợi thun bằng hai tay. Tùy thuộc vào lực kéo, ánh sáng từ sợi thun đó sẽ chuyển từ màu cam sang màu đỏ hoặc ngược lại, giống như đèn LED trên cây thông Giáng Sinh, liên tục thay đổi từ cam sang đỏ và ngược lại. Tất cả đều ở kích thước nanomét', Mendelson Noah, nghiên cứu sinh tại UTS và cũng là tác giả chính của công trình nghiên cứu nói.

'Nhìn thấy hiện tượng chuyển màu ánh sáng ở mức độ lượng tử trong phòng thí nghiệm thực sự là thú vị, không chỉ từ góc độ nghiên cứu mà còn mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực khoa học và kỹ thuật lượng tử,' anh nói thêm.

Boron Nitride Lục Giác không giống như các vật liệu khác được sử dụng trong các ứng dụng tương tự. Các vật liệu như Kim Cương, Silicon Carbide, hoặc Gallium Nitride rất cứng, dễ vỡ và không co giãn được. Ngược lại, Boron Nitride Lục Giác là một vật liệu đặc biệt, giống như Graphene, có thể bị kéo dãn đến vài phần trăm chiều dài ban đầu mà không bị gãy.

'Chúng tôi đã và vẫn bị ngạc nhiên bởi tính chất vật lý ưu việt của vật liệu này, không chỉ về tính cơ học, điện học hay quang học. Những đặc tính này không chỉ có thể biến những thí nghiệm vật lý đặc biệt thành hiện thực mà còn có thể dẫn đến nhiều ứng dụng thực tiễn trong tương lai gần,' GS. Aharonovich Igor, đồng tác giả của nghiên cứu, nói.

Ngay từ những quan sát đầu tiên của hiện tượng đặc biệt này, TS. Trần Trọng Toàn, người dẫn đầu thí nghiệm ở UTS, đã nhận ra nhóm nghiên cứu của mình có thể đã chạm đến một phát hiện đặc biệt. Các nhà vật lý thực nghiệm này đã nhanh chóng liên hệ với một trong những nhà vật lý lý thuyết hàng đầu thế giới, TS. Doherty Marcus (từ ANU), để cùng nhau giải mã cơ chế đằng sau phát hiện này. Với sự hợp tác hiệu quả từ hai phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã đạt được thành công to lớn, kết quả thí nghiệm của họ được giải thích hoàn toàn bằng một mô hình lý thuyết vững chắc.

Hiện tại, nhóm nghiên cứu đang tập trung vào những dự án tiếp theo dựa trên cơ sở của báo cáo khoa học mới nhất của họ. Một trong những dự án này là một thí nghiệm kiểm chứng sự giao kết lượng tử từ hai nguồn sáng có năng lượng ban đầu khác nhau trong vật liệu Boron Nitride Lục Giác để tạo thành một 'bit quang lượng tử' - một phần quan trọng của mạng lưới thông tin lượng tử trong tương lai.

'Chúng tôi tin rằng nghiên cứu của chúng tôi có thể mở ra các thí nghiệm vật lý cơ bản để xây dựng nền tảng cho việc phát triển hệ thống Internet lượng tử trong tương lai.'

Báo cáo nghiên cứu đã được đăng tải trên phys.org.