Các nhà nghiên cứu ở Đức vừa tiến thêm một bước hướng đến việc khép kín “tam giác đạc lượng tử” với việc chế tạo ra một mạch điện chứng-minh-nguyên-tắc lần đầu tiên ghép nối tiếp hai dụng cụ điện lượng tử. Một tam giác kín – cái các nhà khoa học đã và đang tìm kiếm trong hơn 20 năm qua – cuối cùng sẽ cho phép tiêu chuẩn hóa các đơn vị hiệu điện thế, dòng điện và điện trở định nghĩa chỉ dựa trên các hằng số cơ bản của tự nhiên.
Khoa học đo lường phát triển khi người ta tìm thấy những phương pháp mới và chính xác hơn tiêu chuẩn hóa các phép đo. Ví dụ, đơn vị mét ngày nay được định nghĩa theo tốc độ ánh sáng, thay vì một nguyên mẫu platinum–iridium như ngày xưa, vì mặc dù nó được bảo quản trong môi trường có kiểm soát, nhưng nguyên mẫu vẫn bị biến đổi hóa học và biến đổi cấu trúc trên cỡ thời gian dài. Các nhà đo lường học lượng tử tìm cách cải tiến các phương pháp đo truyền thống bằng cách đi tìm những phương pháp thực hiện các phép đo phân giải cao của các thông số vật lí sử dụng thuyết lượng tử và cố gắng liên hệ các số đo với những hằng số cơ bản cố định của tự nhiên.
Định nghĩa ban đầu của mét, do Hội nghị Toàn thể về Cân nặng và Đo lường (CGPM) thông qua, hồi năm 1989 xây dựng trên một thanh mẫu platinum–iridium. Chuẩn mét này được sử dụng cho đến hôm 30 tháng 6 năm 1959. (Ảnh: NIST)
Những mối liên hệ không phức tạp?
Vào thập niên 1960, Brian Josephson phát hiện thấy khi một lớp tiếp xúc giữa hai chất bán dẫn được chiếu xạ vi sóng, thì hiệu điện thế xuất hiện hai bên lớp tiếp xúc đó tỉ lệ với hằng số Planck (h) và tỉ lệ nghịch với điện tích electron (e) – hai hằng số cơ bản của tự nhiên. Vì hiệu điện thế đó không bị ảnh hưởng bởi chiều kích của lớp tiếp xúc và chất liệu cấu tạo của nó, nên chuẩn hiệu điện thế này có thể tái lập lại ở mọi lúc mọi nơi và sẽ luôn luôn như nhau.
Tương tự, một tiêu chuẩn lượng tử cho điện trở, gọi là hiệu ứng Hall lượng tử, được Klaus von Klitzing định nghĩa 15 năm sau đó. Ông tìm thấy rằng việc đặt một chất siêu dẫn ở một nhiệt độ gần như bằng không độ tuyệt đối trong một từ trường mạnh gấp 100.000 lần từ trường của Trái đất, thì điện trở của chất siêu dẫn đó độc lập với các tính chất vật liệu, và một lần nữa chỉ phụ thuộc vào e và h.
Nhưng, theo giải thích của Bernd Kaestner thuộc Physikalisch-Technische Bundesanstalt ở Đức, người vừa hỗ trợ chế tạo con chip mới, “Có một sai số với e và h vẫn còn khá lớn, nên người ta không bao giờ có thể chắc chắn hiệu ứng Hall lượng tử và hiệu ứng Josephson có được xác định tuyệt đối bởi những liên hệ lượng tử này hay là có những hiệu chỉnh nhỏ đối với chúng.”
Khó khép kín tam giác
Trong 20 năm sau đó, các nhà khoa học đã cố gắng liên hệ hai tiêu chuẩn điện lượng tử này trong một tam giác, việc xác định một tiêu chuẩn dòng-lượng tử theo e và h – hiệu ứng tải electron độc thân – là mục tiêu thứ ba. Nếu được hiện thực hóa, tam giác đạc lượng tử này sẽ có thể kiểm tra tính nhất quán của ba tiêu chuẩn điện này và làm sáng tỏ xem có liên hệ nào trong đó cần có sự điều chỉnh tinh vi hay không.
“Mọi yếu tố chuẩn hóa lại sẽ là hết sức nhỏ,” giải thích của J T Janssen thuộc Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia Anh quốc, người không có liên quan trong nghiên cứu trên, “nhưng nó cũng sẽ hết sức quan trọng, vì nó sẽ xác định lí thuyết hiện nay.”
Phương pháp một con chip
Kaestner và các đồng sự đã thiết kế ra một con chip tạo ra những hiệu điện thế lượng tử rời rạc, bằng cách đặt một bơm electron độc thân bán dẫn và một dụng cụ Hall lượng tử nối tiếp nhau. Hiệu điện thế sinh ra chỉ phụ thuộc vào dòng điện, thành ra chỉ phụ thuộc vào tần số bơm electron độc thân.
“Giờ thì bạn có hai cạnh của tam giác, nếu bạn thích thế, kết hợp trong một dụng cụ,” Kaestnew giải thích. Kết quả này mang lại một phép kiểm tra độc lập đối với hiệu điện thế Josephson, vì hiệu ứng Josephson hoạt động trên cơ sở vật lí siêu dẫn, còn dụng cụ mới thì hoạt động trên cơ sở vật lí bán dẫn. “Giờ thì người ta có thể [thử] tạo ra hiệu điện thế chính xác như nhau với hai nền vật lí khác nhau về cơ bản... Đây là một cách hay để khép kín tam giác đạc.”
Đơn giản hóa và thu nhỏ
“Việc tạo ra hai tiêu chuẩn lượng tử này trong một dụng cụ chắc chắn là một thí nghiệm đẹp,” Janssen nói. Nhưng hiệu điện thế sinh ra chỉ vào cỡ hàng microvolt. Vì các dụng cụ Hall lượng tử tạo ra nhiễu trong vùng nanovolt, nên ông cảnh báo “Bạn phải đo trong thời gian rất lâu mới có độ phân giải nhất định.”
Mặt khác, các nhà nghiên cứu đề xuất dụng cụ của họ dễ dàng thu nhỏ, như vậy sẽ cho phép tỉ số tín-hiệu-trên-nhiễu rõ ràng hơn. Kaestner cho rằng một mạch tích hợp cũng là phương pháp hợp lí nhất, vì mỗi con chip cỡ micron phải được giữ ở một nhiệt độ nhất định – trong trường hợp này khoảng 1 K – bằng những con quay hồi chuyển chiếm giữ vài mét khối không gian của phòng thí nghiệm.
Nhưng Janssen nghi ngờ tính khả thi của việc nối tiếp 10 nguồn điện và 100 dụng cụ Hall lượng tử trên một con chip nhỏ xíu, như các nhà nghiên cứu đề xuất. Đội của ông chọn một bộ khuếch đại dòng hiện nay, nó sẽ nâng dòng điện từ một dụng cụ electron độc thân khác lên khoảng 10.000 lần mà không có nhiều sai số.
“Thí nghiệm họ đã làm thật đẹp, nó là một dụng cụ đẹp, nhưng sẽ rất khó cho dụng cụ này cạnh tranh với công nghệ truyền thống mà chúng ta đang sử dụng hiện nay... sẽ phải có một bước đột phá lớn trong sự chế tạo dụng cụ mới tạo ra được tính cạnh tranh này,” ông nói.
Kaestner hi vọng công trình chứng-minh-trên-nguyên-tắc này sẽ thúc đẩy những người khác nghĩ ra những kết hợp mới và đổi mới của các dụng cụ lượng tử tích hợp. “Các nguồn electron độc thân là rất mới, và tôi nghĩ ngành công nghiệp bán dẫn không có khả năng đó,” ông giải thích, “đây thật sự là một thành phần mạch điện mới.”
Tham khảo: http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.109.056802
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
