Dùng tia X khắc mạch điện siêu dẫn

Có thể chế tạo những mạch điện gốc siêu dẫn đơn giản bằng cách sử dụng một chùm tia X để điều khiển vị trí của các nguyên tử tạp chất bên trong một chất liệu thích hợp. Đó là viễn cảnh mà một nghiên cứu mới của các nhà vật lí ở Italy và Anh mang lại. Nghiên cứu cho biết làm thế nào những vùng nhỏ xíu của hợp chất đồng oxide có thể biến đổi thành chất siêu dẫn bằng cách chiếu tia X cường độ đủ cao vào chúng. Với sự phát triển thêm, kĩ thuật trên có thể dùng để chế tạo những mạch điện chứa những dụng cụ giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID), chúng có thể được sử dụng trong máy vi tính lượng tử.

Một ngày nào đó, người ta có thể dùng những chùm tia X để ghi những mạch điện siêu dẫn, như mô tả trong hình trên. Đường liền nét là đường dẫn điện và các vòng khuyên biểu diễn những lớp tiếp xúc siêu dẫn. Trạng thái của những lớp tiếp xúc đó được thể hiện bằng mũi tên màu đỏ. (Ảnh: UCL)

Hồi năm ngoái, một đội nghiên cứu, do Antonio Bianconi thuộc trường Đại học Rome "La Sapienza" đứng đầu, đã sử dụng tia X để khảo sát cấu trúc của lanthanum đồng oxide, đó là một chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Một số nhà vật lí tin rằng những hợp chất đồng oxide đã biết gọi là cuprate có những tính chất siêu dẫn riêng của chúng nhờ cách thức các ion oxygen tạp chất phân bố trong những lớp nằm giữa đồng oxide. Thật vậy, nhóm của Bianconi tìm thấy khi lanthanum đồng oxide đang siêu dẫn, các ion oxygen biểu hiện một kiểu hình fractal.

Trật tự từ mất trật tự

Trong nghiên cứu mới, Bianconi và các đồng nghiệp đã sử dụng tia X để nghiên cứu sự diễn tiến theo thời gian của lanthanum đồng oxide. Làm việc tại synchrotron ELETTRA ở Trieste, trước tiên đội nghiên cứu làm nóng mẫu chất lên khoảng 50^oC để tạo ra sự mất trật tự ở những ion oxygen. Sau đó, họ hạ mẫu xuống nhiệt độ phòng và một chiếu tia X của cơ sở trên vào mẫu, đồng thời sử dụng một máy dò CCD để ghi lại tia X phản xạ từ bề mặt của mẫu.

Khi cường độ chùm tia tương đối thấp, các ion vẫn mất trật tự. Chính xác hơn thì đội nghiên cứu tìm thấy nhiều vùng nhỏ có trật tự nhưng không có những vùng nào lớn hơn, nghĩa là chất liệu không siêu dẫn. Nhưng một khi cường độ chùm tia vượt qua một ngưỡng nhất định, các nhà nghiên cứu phát hiện thấy những vùng lớn có trật tự bắt đầu xuất hiện và kết quả là chất liệu đang siêu dẫn. Họ còn nhận thấy thời gian cần thiết để đạt tới trạng thái siêu dẫn này phụ thuộc vào cường độ của chùm tia. “Sự siêu dẫn giống như một cây xanh vậy”, Bianconi nói. “Nó cần một cường độ ánh sáng tối thiểu nhất định và khi đó nó sẽ lớn dần lên”.

Khắc thành dây dẫn

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã thu hẹp chum tia X xuống còn chừng một phần mười của một mili mét bề ngang và nhận thấy những vùng dạng fractal chỉ xuất hiện ở chỗ chùm tia đi tới mẫu chất. Nói cách khác, một chùm tia X hẹp, có định hướng, có thể dùng để khắc nên những dây dẫn và những bộ phận siêu dẫn bên trong một mẫu lanthanum đồng oxide không siêu dẫn. Và các nhà nghiên cứu cho biết quá trình này có thể lặp lại nhiều lần trên một mẫu chất liệu, giống hệt như một đĩa compact có thể ghi lại nhiều lần. Trong khi bề mặt của đĩa compact là sạch nhẵn và sau đó ghi bằng tia laser, thì trong trường hợp này bề mặt chất liệu được giữ ở trạng thái mất trật tự của nó bằng một luồng không khí ấm, mặc dù Bianconi cho biết laser cũng có thể được sử dụng.

Theo Bianconi, kĩ thuật này có thể dùng để chế tạo những mạch điện chứa các SQUID, cái có thể hình thành nên cơ sở của các qubit trong máy vi tính lượng tử. Ông tin rằng kĩ thuật này dễ thực hiện hơn kĩ thuật in khắc hiện dùng để sản xuất SQUID vì nó không đòi hỏi mặt nạ nhạy sáng và không cần hóa chất lau sạch mặt nạ đó. “Bạn chiếu trực tiếp tia X lên chất liệu hoạt tính và sau đó điều khiển tia X giống như cầm một bút ghi vậy”, ông nói.

Bianconi cho biết nhóm của ông hi vọng chế tạo ra các SQUID theo cách này, sử dụng các cơ sở của Trung tâm Công nghệ Nano London, do trường Đại học College London và Imperial College cùng quản lí. Ông cũng tin rằng có thể mở rộng nguyên lí trên ngoài những chất siêu dẫn, sử dụng tia X để khắc những mạch điện tử khác nữa. Nhìn xa về tương lai, ông còn hình dung ra những máy vi tính sử dụng kĩ thuật trên để cải tiến mạch điện riêng của chúng để giải quyết những vấn đề ngày một phức tạp hơn. “Sử dụng những chất liệu phức tạp hơn silicon mang lại cho bạn sự linh loạt to lớn hơn như thế này”, ông nói.

Nguồn: physicsworld.com