Buzz
Đôi khi, những thứ nhỏ bé, giá rẻ lại mang lại hiệu quả bất ngờ và mạnh mẽ.
Theo một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Physical Review Applied, nhóm nghiên cứu đến từ Đại học Maccquarie, Australia đã đạt được một đột phá quan trọng trong việc phát triển cảm biến lượng tử.
Cảm biến lượng tử là những thiết bị tận dụng các hiệu ứng như vướng víu lượng tử, giao thoa lượng tử và nén trạng thái lượng tử để đạt độ chính xác vượt trội, điều mà các cảm biến truyền thống sử dụng dòng điện không thể làm được.
Với khả năng đo đạc tuyệt đối, cảm biến lượng tử đóng vai trò thiết yếu trong các công nghệ như máy tính lượng tử, đồng hồ nguyên tử và các thiết bị đo cực kỳ chính xác như máy dò sóng hấp dẫn.
Chính vì vậy, các nhà khoa học luôn tìm cách nâng cao hiệu suất của cảm biến lượng tử, bằng cách nghiên cứu vật liệu mới hoặc cải tiến các bộ phận và cơ chế hoạt động của chúng.
Một ví dụ điển hình là việc tạo ra các buồng cộng hưởng làm từ sapphire nguyên chất, giúp cải thiện độ ổn định tần số, giảm nhiễu và nâng cao độ nhạy cho cảm biến.
Vì sapphire có giá thành cao, các buồng cộng hưởng thường có giá trị không dưới 1 tỷ VNĐ. Các công ty đá quý rất ưa chuộng điều này, bởi họ có thể bán cho các nhà khoa học những viên sapphire lên tới 50 carat mà không có vật liệu nào thay thế được.
Tuy nhiên, điều này sẽ sớm thay đổi. Sau khi nhóm nghiên cứu tại Đại học Maccquarie thử nghiệm thay hai quả nho vào vị trí buồng cộng hưởng sapphire, họ bất ngờ phát hiện hiệu suất cảm biến lượng tử tăng gấp đôi.
Về giá cả, một cân nho ở chợ chỉ tốn hơn 100.000 VNĐ. Hai quả nho khoảng 10 gram, chỉ tốn khoảng 1.000 đồng. So với sapphire trị giá hơn 1 tỷ đồng, nho là vật liệu rẻ hơn đến 1 triệu lần, nhưng lại có thể thay thế hoàn hảo trong cảm biến lượng tử.
Các công ty đá quý chắc chắn sẽ không vui khi điều này xảy ra, bởi họ sẽ mất đi một lượng khách hàng lớn từ giới khoa học. Nhưng những tiểu thương bán nho ngoài chợ thì lại rất mừng rỡ.
Sẽ chẳng lâu nữa, bạn sẽ thấy các nhà khoa học ghé chợ mua nho.
Tại sao nho lại có thể thay thế sapphire trong cảm biến lượng tử?
Để lý giải hiện tượng này, chúng ta phải hiểu nguyên lý hoạt động của cảm biến lượng tử. Như đã đề cập, cảm biến lượng tử sử dụng các nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử để thực hiện các phép đo chính xác.
Vì vậy, các linh kiện của chúng phải được chế tạo từ các bộ phận cực kỳ nhỏ, đến mức nguyên tử, để có thể tạo ra các hiệu ứng lượng tử mong muốn.
Một trong những linh kiện lượng tử phổ biến mà các nhà khoa học sử dụng trong cảm biến lượng tử là kim cương. Các khối kim cương có mạng tinh thể carbon, nhưng ở một số vị trí, nguyên tử nitơ thay thế nguyên tử carbon, và chính sự thay thế này tạo ra màu sắc óng ánh đặc trưng của kim cương.
"Kim cương nguyên chất không có màu, nhưng khi một số nguyên tử thay thế carbon, chúng tạo thành các tâm 'khuyết tật' có tính chất quang học đặc biệt", tiến sĩ Sarath Raman Nair, giảng viên công nghệ lượng tử tại Đại học Macquarie, cho biết.
Không chỉ tạo màu sắc cho kim cương, các khuyết tật nitơ này còn có thể được sử dụng như linh kiện lượng tử trong việc chế tạo cảm biến.
"Chúng tôi sử dụng các tâm khuyết tật nitơ trong kim cương nano vì chúng giống như những nam châm siêu nhỏ, có thể làm cảm biến lượng tử", tiến sĩ Nair chia sẻ.
Các "nam châm" này có khả năng phát hiện từ trường, nhưng để đạt được độ nhạy cần thiết, từ trường xung quanh chúng phải được tăng cường. Chính lúc này, các buồng cộng hưởng sapphire phát huy vai trò của mình.
Buồng cộng hưởng sapphire.
Các buồng sapphire nguyên chất này có chức năng tập trung năng lượng vi sóng, khiến cho các electron của nhôm oxyt (Al2O3) bên trong chúng dao động ở một tần số cố định. Những dao động này tạo ra cái gọi là "điểm nóng từ trường cục bộ", thứ mà các khuyết tật Nitơ trong kim cương có thể dễ dàng phát hiện.
Nói một cách đơn giản, các buồng cộng hưởng sapphire giống như một chiếc kính lúp. Chúng khuếch đại trường điện từ siêu nhỏ để các cảm biến kim cương nano có thể "nhìn thấy" được.
Tuy nhiên, nho cũng có thể làm được điều này
Khả năng khuếch đại vi sóng của nho đã được phát hiện từ năm 1994, nhờ vào một tai nạn. Một người đàn ông đã vô tình cho nho vào lò vi sóng, và kết quả là chiếc lò đã phát nổ.
Các nhà khoa học giải thích rằng nho chứa nhiều nước và có hình dạng gần giống quả cầu, với lớp vỏ dai, khiến nho có khả năng tập trung vi sóng cực mạnh.
Khi đặt hai quả nho gần nhau trong lò vi sóng, chúng có thể phát ra tia lửa plasma với nhiệt độ lên đến 10.000 độ C.
Các nhà khoa học tại Đại học Maccquarie cho biết họ đã tận dụng 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 gần nhau, xuyên qua một ống sợi thủy tinh và đặt một viên kim cương nano ở đầu ống, họ đã tạo ra một cảm biến lượng tử đơn giản.
Khi ánh sáng laser màu xanh lá được chiếu qua sợi thủy tinh, cảm biến này sẽ khiến các khuyết tật Nitơ trong kim cương nano phát sáng màu đỏ. Độ sáng của ánh sáng đỏ này giúp đo cường độ của trường vi sóng xung quanh hai quả nho.
"Sử dụng phương pháp này, chúng tôi phát hiện từ trường của bức xạ vi sóng mạnh gấp đôi khi có sự hiện diện của nho", Ali Fawaz, nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý lượng tử tại Đại học Macquarie, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết.
"Nước thực sự là chất liệu tốt hơn sapphire trong việc tập trung năng lượng vi sóng, nhưng nó lại kém ổn định và tiêu tốn nhiều năng lượng hơn trong quá trình này. Đây là thách thức lớn mà chúng tôi cần phải giải quyết".
Hai quả nho có thể khuếch đại vi sóng và tạo ra một "điểm nóng từ trường cục bộ".
Vì vậy, chìa khóa chính là nước có trong nho. Các nhà khoa học cho biết nghiên cứu này mở ra một hướng đi mới, trong đó họ có thể nghiên cứu cách chế tạo buồng cộng hưởng chứa nước thay thế cho sapphire đắt tiền.
Các buồng cộng hưởng vi sóng này có thể ứng dụng trong các công nghệ như vệ tinh, maser và các hệ thống lượng tử, nơi mà trường từ bị giới hạn trong các khu vực nhỏ. Trong các ứng dụng lượng tử, chúng được sử dụng để điều khiển các hệ thống như qubit spin thông qua từ trường.
"Nghiên cứu này sẽ mở ra một hướng đi mới để khám phá các thiết kế bộ cộng hưởng vi sóng thay thế cho công nghệ lượng tử, có khả năng phát triển các thiết bị cảm biến lượng tử nhỏ gọn và hiệu quả hơn." Giáo sư Thomas Volz, tác giả chính của nghiên cứu, trưởng nhóm Vật liệu và Ứng dụng Lượng tử tại Khoa Khoa học Toán học và Vật lý, Đại học Macquarie cho biết.
Trong khi các buồng cộng hưởng chứa nước chính xác hơn vẫn đang được các nhà khoa học phát triển, những quả nho chắc chắn vẫn là lựa chọn ưu tiên. Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm với hiệu ứng khuếch đại vi sóng và phát hiện ra rằng những quả nho có đường kính khoảng 2,7 cm tạo ra hiệu ứng cộng hưởng mạnh nhất.
Vì vậy, các tiểu thương bán nho ngoài chợ nên cân nhắc giữ lại những quả nho này, nhất là nếu họ muốn bán chúng với mức giá cao hơn bình thường.
Sẽ có những nhà khoa học nghiên cứu về lượng tử sẵn sàng chi một khoản tiền lớn để sở hữu những quả nho có đường kính 2,7 cm, bởi vì nếu không, họ sẽ phải chi hàng tỷ đồng để mua đá quý sapphire làm cảm biến lượng tử.
