Bằng cách chế tạo ra những dụng cụ dây nano gốc kim cương, một đội khoa học tại Harvard đã tiến thêm một bước quan trọng nữa hướng đến những ứng dụng xây dựng trên nền khoa học lượng tử và công nghệ lượng tử.

Một dụng cụ dây nano gốc kim cương. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kĩ thuật vi chế tạo từ-trên-xuống để nhúng các tâm màu vào nhiều cấu trúc máy đa dạng. Bằng cách tạo ra những ma trận dụng cụ cỡ lớn thay cho những thiết kế “một kiểu một loại”, sự hiện thực hóa của các mạng lượng tử và hệ lượng tử, cái thiết yếu cho sự tích hợp và thao tác trên nhiều dụng cụ ghép song song, càng có khả năng thực tiễn hơn. Minh họa: Jay Penni.

Kết quả trên có thể dẫn đến một dòng mới gồm những dụng cụ kim cương cấu trúc nano thích hợp cho truyền thông lượng tử và điện toán lượng tử, cũng như những lĩnh vực tiên tiến từ cảm biến sinh học và hóa học cho đến ghi ảnh khoa học.

Công bố trên số ra ngày 14 tháng 2 của tờ Nature Nanotechnology, các nhà nghiên cứu đứng đầu là Marko Loncar, phó giáo sư kĩ thuật điện tại Khoa Kĩ thuật và Khoa học Ứng dụng (SEAS) thuộc Harvard, nhận thấy hiệu suất của một nguồn đơn photon xây dựng trên điểm khuyết phát sáng (tâm màu) ở kim cương có thể cải thiện bằng cách xây dựng cấu trúc nano đối với kim cương và nhúng chỗ khuyết trong một dây nano kim cương.

Thật ra, lần đầu tiên các nhà khoa học bắt đầu khai thác các tính chất của kim cương tự nhiên sau khi biết được cách thao tác trên spin electron, hay mô men xung lượng nội, đi cùng với tâm màu khoảng trống nitrogen (NV) của đá quý. Trạng thái lượng tử (qubit) đó có thể khởi hoạt và đo đạc bằng ánh sáng.

Tâm màu “truyền thông tin” bằng cách phát xạ và hấp thụ các photon. Dòng photon phát từ tâm màu mang lại một phương tiện mang thông tin vừa thu được, thực hiện sự điều khiển, bắt giữ, và lưu trữ các photon cần thiết cho bất kì loại thức truyền thông hay điện toán thực tiễn nào. Tuy nhiên, việc thu thập các photon một cách hiệu quả thì khó thực hiện vì các tâm màu bị dìm sâu bên trong kim cương.

“Đây là một trở ngại lớn nếu bạn muốn ghép nối một tâm màu và tích hợp nó vào những ứng dụng thực tiễn”, Loncar giải thích. “Cái đang còn thiếu là một tiếp giáp nối kết thế giới nano của một tâm màu với thế giới vĩ mô của sợi quang và thấu kính”.

Dụng cụ dây nano kim cương mang lại một giải pháp, cung cấp một giao thức tự nhiên và hiệu quả nhằm khảo sát từng tâm màu một, làm cho nó sáng hơn và tăng độ nhạy của nó. Những tính chất quang cải thiện thu được làm tăng sự thu thập photon lên gần 10 lần so với các dụng cụ kim cương tự nhiên.

“Dụng cụ dây nano của chúng tôi có thể phân rãnh các photon phát ra và hướng chúng vào một con đường thuận tiện”, tác giả đứng đầu nhóm Tom Babinec, một sinh viên tại SEAS, nói.

Ngoài ra, dây nano kim cương được thiết kế để vượt qua các rào cản trên đã thách thức những hệ tinh xảo khác – thí dụ như những hệ dựa trên phân tử chất nhuộm phát huỳnh quang, các chấm lượng tử, và ống nano carbon – vì dụng cụ trên có thể sao lại đều đặn và tích hợp với nhiều cấu trúc máy nano đa dạng.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kĩ thuật vi chế tạo từ-trên-xuống để nhúng các tâm màu vào nhiều cấu trúc máy đa dạng. Bằng cách tạo ra những ma trận dụng cụ cỡ lớn thay cho những thiết kế “một kiểu một loại”, sự hiện thực hóa của các mạng lượng tử và hệ lượng tử, cái thiết yếu cho sự tích hợp và thao tác trên nhiều dụng cụ ghép song song, càng có khả năng thực tiễn hơn.

“Chúng tôi xem đây là một bước tiến quan trọng và cho phép công nghệ hướng tới những hệ quang thực tiễn hơn xây dựng ttreen nền tảng chất liệu hấp dẫn này”, Loncar nói. “Bắt đầu với những mẫu kim cương vi cấu trúc, tổng hợp như thế này, chúng tôi có thể bắt đầu mơ tới những dụng cụ và những hệ gốc kim cương có thể một ngày nào đó dẫn đến những ứng dụng trong ngành khoa học và công nghệ lượng tử cũng như công nghệ cảm biến và ghi ảnh”.

Theo PhysOrg.Com