Dây anten truyền hình thu nhỏ chế tạo từ các que nano vàng có thể cung cấp một phương thức điều khiển ánh sáng trên một con chip – mở ra các kênh truyền thông lượng tử.
Nếu như các mạng điện toán lượng tử trở thành thực tại, thì các nhà vật lí phải tìm ra một phương thức điều khiển và khai thác ánh sáng phát ra trong các thí nghiệm lượng tử. “Chúng ta phải biết ở đâu và khi nào thì các photon được phát ra nếu chúng ta muốn thu gom chúng một cách hiệu quả và thực hiện những tác vụ tiên tiến”, phát biểu của Jason Smith, một chuyên gia cấu trúc nano lượng tử tại trường đại học Oxford, Anh.
Anten Yagi-Uda ngày nay nhỏ hơn bao giờ hết.
Ảnh: Hitachi Kokusai Electric (Yagi Antenna Inc)
Hiện tại, các nhà vật lí lượng tử sử dụng những thiết bị kềnh càng để cố gắng giữ lấy vết tích của các photon, chẳng hạn, xây dựng những hộp chân không lớn với các thành tráng gương để dẫn hướng ánh sáng. “Thật tức cười là để điều khiển thế giới lượng tử nhỏ bé, bạn lại cần những thiết bị khổng lồ”, theo lời Holger Hofmann, tại Khoa Vật chất Lượng tử thuộc trường đại học Hiroshima ở Nhật Bản.
Nay Hofmann và các cộng sự của ông vừa phát triển một phương thức điều khiển hướng ánh sáng ở cấp độ nano. Kĩ thuật của họ dựa trên sự hoạt động của các anten 'Yagi-Uda' thường dùng để truyền và dò tìm sóng vô tuyến và thường thấy trên nóc nhà dưới dạng dây anten truyền hình. Hofmann bắt gặp ý tưởng đó một cách tình cờ, trong khi đang giảng dạy lớp điện từ học về nguyên lí hoạt động của anten. “Sách giáo khoa không giải thích tốt cho lắm, và trong khi thử đưa ra bức tranh giải thích riêng của mình, tôi nhận ra rằng kĩ thuật tương tự có thể hoạt động ở cấp độ nano”.
Vàng là tốt nhất
Một anten Yagi-Uda chuẩn cấu tạo gồm một tập hợp những que kim loại lắp song song giảm dần về chiều dài. Một tín hiệu điện được cho vào que dài thứ hai, làm cho nó dao động và tạo ra một sóng điện từ điều khiển lan ra theo mọi hướng. Sóng này kích thích các que lân cận dao động và phát ra sóng thứ cấp. Cả chiều dài và khoảng cách giữa các que liên tiếp được bố trí thận trọng theo phần lẻ của bước sóng của sóng điều khiển, khuếch đại nó theo hướng lan tới và giảm nó đi theo hướng bên và hướng ngược lại.
Hofmann và các cộng sự của ông nhận ra rằng các que nano vàng sẽ tạo ra hiệu ứng tương tự ở cấp độ nano – nhưng ở đây, tỉ số chiều dài trên chiều rộng của các que, chứ không phải chiều dài và khoảng cách của chúng, là quan trọng.
Đội nghiên cứu đã khắc anten vàng mini của họ vào một chất nền thủy tinh và chiếu thẳng vào nó vói ánh sáng laser đỏ. Công đoạn khéo léo là đảm bảo chỉ một que nano bị chiếu bởi ánh sáng tới, giống hệt như chỉ một que kim loại trong anten Yugi-Uda. Để đảm bảo yêu cầu này, đội nghiên cứu nghiêng que nano đã chọn đi 45o so với các lân cận của nó và kích thích nó bằng ánh sáng laser bị phân cực ở góc bằng như vậy. Sau đó, họ theo dõi hướng ánh sáng truyền ra khỏi chất nền thủy tinh.
Kết quả thật sự tốt hơn nhiều so với lí thuyết của họ tiên đoán, Hofmann nói, với khoảng hai phần ba ánh sáng vào được lái mạnh về phía trước. Trong các tính toán của họ, đội nghiên cứu giả sử rằng các que nano sẽ được tạo hình thành những elipsoid hoàn hảo; tuy nhiên, trên thực tế, chúng có dạng “hình hộp” và hình dạng này có lẽ đã vô tình làm tăng hiệu suất của chúng, Hofmann giải thích.
Nghiên cứu mới đã sẵn sàng
Tiếp theo, đội nghiên cứu hi vọng tích hợp được anten nano đó vào trong một con chip silicon – một động thái được Smith nhiệt liệt hoan nghênh. “Đó là một thách thức lớn để chế tạo các hệ điều khiển ánh sáng thu gọn và hiệu quả”, ông nói.
Kĩ thuật trên cũng cho phép các nhà khoa học vật liệu chế tạo ra “nguồn phát photon độc thân” hiệu quả bằng cách điều khiển chính xác ánh sáng phát ra từ các tinh thể nano gọi là “chấm lượng tử”, Smith nói. “Bạn có thể tưởng tượng một ngày nào đó người ta có thể nhấn một cái nút và phát ra một photon theo yêu cầu”.
Các nguồn phát photon độc thân là yếu tố sống còn trong lĩnh vực mật mã học lượng tử, trong đó các quá trình lượng tử được sử dụng để mã hóa thông tin an toàn thành những photon trước khi dữ liệu được truyền đi. “Để có tính xác thực, bạn thật sự phải biết có bao nhiêu photon bạn đang gửi đi và gửi đi đâu”, Hofmann nói.
Việc chế tạo hệ điều khiển ánh sáng nhỏ hơn còn làm tăng tốc độ phát xạ photon tự phát từ nguồn, do các hiệu ứng lượng tử sinh ra, Smith bổ sung thêm. “Hiện tại, bạn có thể tạo ra một photon một lần trong mỗi 10 hoặc 100 nano giây, nhưng những kĩ thuật như thế có thể cải thiện đến mức, nói thí dụ, một photon trong mỗi nano giây”, ông nói. “Đó là một tiến bộ quan trọng”.
· Tham khảo
1. Hofmann, H. F. , Kosako, T. & Kadoya, Y. New J. Phys. 9, 217 (2007).
2. Kosako, T. , Kadoya, Y. & Hofmann, H. F. Nature Photonics advance online publication doi:10.1038/nphoton.2010.34 (2010).
Theo Nature.com
