Lần đầu tiên ‘nói chuyện’ được với một nguyên tử

Các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Kĩ thuật Chalmers ở Thụy Điển là những người đầu tiên thành công trong việc sử dụng âm thanh để “nói chuyện” với một nguyên tử nhân tạo. Từ đó họ có thể chứng minh các hiện tượng vật lí lượng tử với sóng âm thay cho vai trò của ánh sáng. Các kết quả công bố trên tạp chí Science.

Tương tác giữa các nguyên tử và ánh sáng đã được người ta biết rõ và đã được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực quang học lượng tử. Tuy nhiên, để thu được loại tương tác giống như vậy với sóng âm thì đòi hỏi nhiều thách thức hơn. Nay các nhà nghiên cứu tại Chalmers đã thành công trong việc làm cho sóng âm kết hợp với một nguyên tử nhân tạo. Nghiên cứu được thực hiện trong khuôn khổ hợp tác giữa các nhà vật lí thực nghiệm và nhà vật lí lí thuyết.

“Chúng tôi vừa mở ra một cánh cửa mới sang thế giới lượng tử bằng cách nói chuyện và lắng nghe các nguyên tử,” phát biểu của Per Delsing, trưởng nhóm nghiên cứu thực nghiệm trên. “Mục tiêu lâu dài của chúng ta là khai thác vật lí lượng tử để chúng ta có thể hưởng lợi từ các quy luật của chúng, ví dụ trong các máy vi tính cực nhanh. Chúng ta làm công việc này bằng cách chế tạo các mạch điện tuân theo các quy luật lượng tử mà chúng ta có thể điều khiển và nghiên cứu.”

Một nguyên tử nhân tạo là một thí dụ của một mạch điện lượng tử nhe thế. Giống hệt như một nguyên tử thường, nó có thể được tích năng lượng để sau đó phát ra dưới dạng một hạt. Hạt này thường là một hạt ánh sáng, nhưng thay vậy nguyên tử trong thí nghiệm Chalmers được thiết kế để vừa phát xạ vừa hấp thụ năng lượng dưới dạng sóng âm.

“Theo lí thuyết, sóng âm phát ra từ nguyên tử được phân chia thành các hạt lượng tử,” phát biểu của Martin Gustafsson, tác giả đứng tên đầu của bài báo nghiên cứu. “Một hạt như vật là âm thanh yếu nhất có thể được phát hiện.”

Ở bên phải, một nguyên tử nhân tạo phát ra sóng âm gồm các gợn lan đi trên bề mặt chất rắn. Sóng âm đó được thu nhận ở bên trái bởi một “microphone” là các lá kim loại ken lại. Theo lí thuyết, sóng âm đó bao gồm một dòng hạt lượng tử, đó là tiếng thì thầm khẽ nhất có thể trên phương diện vật lí. Minh họa không theo tỉ lệ. Ảnh: Philip Krantz, Krantz NanoArt

Vì sóng âm lan truyền chậm hơn ánh sáng nhiều lần, nên nguyên tử âm học mở ra những khả năng hoàn toàn mới cho việc điều khiển các hiện tượng lượng tử.

“Do tốc độ chậm của sóng âm, nên chúng ta sẽ có thời gian điều khiển các hạt lượng tử trong khi chúng truyền đi,” Martin Gustafsson nói. “Điều này khó thu được với ánh sáng, vì chúng lan truyền nhanh hơn gấp 100.000 lần.”

Tốc độ chậm của sóng âm cũng hàm ý rằng nó có bước sóng tương tác ngắn so với ánh sáng. Một nguyên tử tương tác với sóng ánh sáng luôn luôn nhỏ hơn nhiều so với bước sóng. Tuy nhiên, so với bước sóng của sóng âm, nguyên tử có thể là lớn hơn nhiều, nghĩa là các tính chất của nó có thể được điều khiển tốt hơn. Ví dụ, người ta có thể thiết kế nguyên tử để nó chỉ kết hợp với những tần số âm nhất định hoặc tạo ra tương tác cực mạnh với sóng âm.

Tần số dùng trong thí nghiệm Chalmers là 4,8 GHz, gần với tần số vi sóng phổ biến ở các mạng không dây hiện đại. Theo ngôn ngữ âm nhạc, tần số này tương ứng với một nốt D28, cao hơn khoảng 20 quãng tám so với nốt cao nhất trên đàn piano cỡ lớn.

Ở những tần số cao như vậy, bước sóng của sóng âm trở nên đủ ngắn để nó có thể được dẫn dọc theo bề mặt của một vi mạch. Trên chính vi mạch đó, các nhà nghiên cứu đã đặt một nguyên tử nhân tạo dài 0,01 mm và làm bằng vật liệu siêu dẫn.

Nguồn: EurekAlert