Một nhóm nghiên cứu do Đại học Bang Louisiana (Hoa Kỳ) dẫn đầu vừa phát triển một lớp vật liệu lượng tử hoàn toàn mới có khả năng phân biệt các trạng thái ánh sáng lượng tử khác nhau ngay ở nhiệt độ phòng. Kết quả nghiên cứu, công bố trên tạp chí Nature, mở ra một hướng tiếp cận mới trong thiết kế vật liệu lượng tử, đồng thời góp phần vượt qua một trong những rào cản lớn nhất của lĩnh vực này là sự phụ thuộc vào các hệ thống làm lạnh siêu thấp.

Việc phát triển các vật liệu có khả năng điều khiển các hiện tượng lượng tử nhiều hạt từ lâu là một thách thức lớn. Nguyên nhân là các tương tác giữa nhiều hạt lượng tử thường tạo ra những trạng thái rất phức tạp, khó dự đoán và khó kiểm soát. Bên cạnh đó, phần lớn các vật liệu lượng tử hiện nay chỉ hoạt động ổn định trong điều kiện nhiệt độ cực thấp, đòi hỏi các hệ thống làm lạnh cồng kềnh và tốn kém, hạn chế khả năng ứng dụng ngoài phòng thí nghiệm.

Thiết kế vật liệu thay vì tìm kiếm trong tự nhiên

Thay vì tìm kiếm một vật liệu có sẵn với các đặc tính lượng tử mong muốn, nhóm nghiên cứu lựa chọn một hướng tiếp cận khác: chủ động thiết kế và chế tạo vật liệu ngay từ đầu. Họ phủ một lớp vàng rất mỏng lên một đế thủy tinh, sau đó sử dụng chùm ion hội tụ để khắc hàng trăm khe có kích thước nanomet trên bề mặt.

Mỗi khe hoạt động như một "nguyên tử nhân tạo", hay còn gọi là meta-atom. Khi được sắp xếp theo một cấu trúc xác định, các meta-atom này tạo thành một loại tinh thể nhân tạo mỏng hơn cả sợi tóc người. Nhóm nghiên cứu đặt tên cho cấu trúc mới là siêu tinh thể plasmonic thống kê lượng tử (quantum statistical plasmonic metamaterial).

Điểm nổi bật của vật liệu nằm ở cơ chế tương tác với ánh sáng. Nếu các vật liệu quang học thông thường phân biệt ánh sáng dựa trên bước sóng hoặc trạng thái phân cực, thì siêu tinh thể mới lại phản ứng với đặc tính thống kê của các photon trong chùm sáng. Mỗi nguồn sáng - như laser, ánh sáng nhiệt hay các nguồn sáng lượng tử - đều có một đặc trưng thống kê riêng về cách các photon được phân bố. Nhóm nghiên cứu cho thấy siêu tinh thể có thể tạo ra các dải thống kê lượng tử "được phép" và "không được phép", qua đó quyết định trạng thái lượng tử nào của ánh sáng có thể truyền qua vật liệu. Theo nhóm nghiên cứu, đây là lần đầu tiên một vật liệu được chứng minh có khả năng phản ứng trực tiếp với các đặc tính thống kê lượng tử của ánh sáng.

Tiềm năng cho công nghệ lượng tử

Nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm vật liệu hoàn toàn ở nhiệt độ phòng bằng một hệ quang học sử dụng laser. Kết quả cho thấy siêu tinh thể vẫn duy trì được khả năng điều khiển trạng thái lượng tử của ánh sáng mà không cần đến hệ thống làm lạnh siêu thấp - một yêu cầu vốn được xem là rào cản lớn trong nhiều nghiên cứu vật liệu lượng tử hiện nay. Trong các thử nghiệm, vật liệu hoạt động như một bộ lọc thống kê lượng tử, vừa duy trì tính kết hợp lượng tử của ánh sáng, vừa cho phép tín hiệu truyền qua với hiệu quả cao.

Theo nhóm nghiên cứu, hướng tiếp cận này có thể tạo nền tảng cho việc phát triển các hệ lượng tử nhiều hạt theo cách chủ động hơn, với tiềm năng ứng dụng trong tính toán lượng tử quang tử, truyền thông lượng tử và các công nghệ chuyển đổi năng lượng sử dụng hiệu ứng lượng tử, bao gồm cả pin mặt trời thế hệ mới. Quan trọng hơn, công trình cho thấy khả năng thiết kế vật liệu lượng tử theo những đặc tính mong muốn, thay vì chỉ khai thác các vật liệu sẵn có trong tự nhiên. Tuy vậy, kết quả hiện mới được chứng minh trong khuôn khổ nghiên cứu thực nghiệm và sẽ cần thêm thời gian để đánh giá khả năng triển khai trong các ứng dụng thực tế.

NPA (Theo Phys.org)