Các nhà khoa học ở Pháp vừa sáng tạo ra một phương pháp mới tạo ra những electron kết hợp và không thể phân biệt được. Các nhà khoa học đã tạo ra một con chip nhỏ phát xạ electron và sử dụng nó để tạo ra hai electron độc thân phát ra từ hai nguồn khác nhau ở trong cùng một trạng thái lượng tử. Kĩ thuật này là một bước then chốt trong việc phát triển các kĩ thuật xử lí thông tin lượng tử gốc electron.
Quy tắc fermion
Electron là fermion và vì thế chúng phải tuân theo nguyên lí loại trừ Pauli cấm những fermion giống hệt nhau chiếm giữ cùng một trạng thái, dẫn tới sự phản tương quan hay “chống ghép cặp”. Mặc dù đã được nhận ra hàng thập kỉ trước, nhưng rất khó tiến hành một thí nghiệm chống ghép cặp bởi vì các chùm electron là không kết hợp – có nhiều electron ở trong bất kì một hệ nào và chúng luôn gây nhiễu với nhau, cũng như với môi trường.
Đây là cái khích lệ Erwann Bocquillon và Gwendal Féve tại Ecole Normale Supérieure ở Paris, cùng với những đồng nghiệp đến từ Phòng thí nghiệm Quang lượng tử và Cấu trúc nano ở gần Paris và từ Ecole Normale Supérieure de Lyon, xét xem các electron không thể phân biệt có thể được tạo ra bởi những nguồn độc lập hay không. “Ngày nay chúng ta hiểu cách thức các electron chuyển động trong một hệ - một vấn đề rất cơ bản – tốt hơn nhiều rồi. Tất nhiên, cái cũng quan trọng là tạo ra những electron như thế để mã hóa thông tin lượng tử trong tương lai, nhưng trong trường hợp này, chúng tôi chủ yếu quan tâm đến minh chứng cơ bản của khái niệm thôi,” Féve giải thích.
Chất khí electron 2D được minh họa bằng màu xanh lục trong hình này, cùng với hai bộ phát và bộ chiết tia. Các electron chuyển động theo đường hướng theo cạnh của mẫu đánh dấu bằng mũi tên, theo 1D. (Ảnh: D Darson, Laboratoire Pierre Aigrain, Ecole Normale Supérieure, Paris)
Chuyển động bị cấm
Con “chip” phát xạ electron của các nhà nghiên cứu được chế tạo từ một miếng chất bán dẫn cỡ micro “rất sạch” trong đó các electron truyền đi theo những đường rất thẳng trong vài micron trong mạng 2D trước khi bị tán xạ, làm hạn chế tương tác của chúng. Ta có thể thấy điều này dưới dạng mặt phẳng xanh lục trong hình minh họa ở trên. Sau đó đội nghiên cứu sử dụng một từ trường mạnh để hạn chế thêm chuyển động của các electron chỉ theo 1D dọc theo cạnh của mặt phẳng đó (kí hiệu bằng các mũi tên trong hình), sao cho các electron độc thân được dẫn tới mỗi bộ phát – hai hòn đảo nhỏ của chất khí electron nằm ở mỗi bên hình. Phần màu vàng ở kế bộ phát biểu diễn điện cực kim loại lắng lên trên chất khí electron đó.
Bằng cách thiết lập một xung điện áp cho điện cực kim loại lắng phía trên bộ phát, các nhà nghiên cứu kích hoạt sự phát xạ một electron độc thân đến một bộ chiết tia điện tử có cấu tạo gồm hai ngõ vào và hai ngõ ra. Féve cho biết mẫu của họ có khả năng phát xạ hàng tỉ electron độc thân mỗi giây – một electron trong mỗi nano giây.
Đồng bộ hóa hoàn hảo
“Hai nguồn phát đồng bộ hóa hoàn hảo đến mức cả hai hạt đến đồng thời trên bộ chiết tia và sự chống ghép cặp hoàn hảo xảy ra, nghĩa là hai electron đó luôn luôn tồn tại ở kết cục khác nhau,” Féve giải thích. Điều đó có nghĩa là nếu một electron độc thân được gửi đến một trong hai ngõ vào với ngõ vào bên kia trống không, chẳng hạn, thì electron đó sẽ thoát ngẫu nhiên vào một trong hai ngõ ra. Nhưng trong thí nghiệm trên, hai electron, phát ra bởi hai bộ phát giống hệt nhau, đồng bộ với nhau, nhưng độc lập nhau, sẽ tới đồng thời tại hai ngõ vào của bộ chiết tia và sẽ luôn luôn ló ra ở hai ngõ ra rạch ròi, tuân theo nguyên lí loại trừ Pauli.
“Hiệu ứng chống ghép cặp electron này chỉ có thể giải thích bằng cơ học lượng tử. Vì nó là một sự giao thoa lượng tử giữa hai hạt và liên quan với tính không thể phân biệt của chúng. Hiệu ứng này sẽ chỉ xảy ra với hai electron ở trong trạng thái lượng tử thuần túy giống nhau không bị ảnh hưởng bởi sự tương tác với môi trường, làm cho hai electron không phân biệt với nhau và là kết hợp,” Féve nói.
Nhưng ông cũng nhanh chóng cho biết rằng trong khi đội khoa học thật sự đã thu được một mức độ cao của sự không thể phân biệt, nhưng các electron đó không hoàn toàn như thế, nghĩa là một số tương tác môi trường nhỏ xíu thật sự có xảy ra. “Để có thể làm vướng víu các electron, trong khi chúng vi phạm bất đẳng thức Bell, chúng cần hoàn toàn không thể phân biệt – cho nên đây là cái chúng tôi hiện đang nghiên cứu và tìm hiểu,” Féve nói. Các nhà nghiên cứu đang hướng đến chế tạo mẫu của họ nhỏ hơn nữa để các electron đi những khoảng cách ngắn hơn nữa, trong khi vẫn không quên các tác động của nhiệt độ ở những kích cỡ như thế.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.
Nguồn: physicsworld.com
