Với việc chứng minh có thể sử dụng một nguyên tử độc thân nhân tạo như thế nào để khuếch đại sóng điện từ, các nhà vật lí ở Nhật Bản đang mở ra những khả năng mới cho các bộ khuếch đại lượng tử, cái có thể dùng trong nhiều ứng dụng điện tử và quang học đa dạng.
Sự khuếch đại lượng tử bởi một nguyên tử nhân tạo. Phần (a) thể hiện một giản đồ của một nguyên tử nhân tạo ba mức trong đó sự đảo lộn cư trú có thể được tạo ra bằng cách bơm nguyên tử từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích thứ hai. Phần (b) thể hiện quang phổ của nguyên tử ba mức trên.
Là một dụng cụ sử dụng các hiệu ứng lượng tử để khuếch đại tín hiệu, một bộ khuếch đại lượng tử có nhiều dạng khác nhau. Có lẽ thí dụ được biết tới nhiều nhất là laser, dụng cụ sử dụng quá trình phát xạ cảm ứng để phát ra các photon từ các nguyên tử bị kích thích quang học. Giống như đa số các bộ khuếch đại lượng tử, laser sử dụng các chuyển tiếp nội nguyên tử với nhiều nguyên tử (hoặc phân tử) để đạt được sự khuếch đại tín hiệu, và các tần số chuyển tiếp không dễ gì điều chỉnh được.
Một cách hiện thực hóa bộ khuếch đại lượng tử có thể tùy chỉnh và điều khiển trọn vẹn là tạo ra một hệ chỉ sử dụng các nguyên tử hay phân tử độc thân. Tuy nhiên, các bộ khuếch đại lượng tử nguyên tử độc thân cho đến nay rất khó thực hiện do thực tế các nguyên tử trong tự nhiên chỉ có thể ghép cặp yếu ớt với sóng điện từ mà chúng phải khuếch đại.
Các nhà nghiên cứu O.V. Astafiev cùng các đồng tác giả ở Phòng Nghiên cứu Vi Điện tử NEC và Viện Khoa học Cấp tiến RIKEN, cả hai ở Ibaraki, Nhật Bản, vừa tìm ra một phương pháp khắc phục được khó khăn này. Trong nghiên cứu mới của họ, các nhà nghiên cứu đã chứng minh làm thế nào một nguyên tử nhân tạo độc thân có thể ghép cặp mạnh với mốt điện từ của không gian một chiều hở, mang lại sự khuếch đại sóng điện từ có thể tùy chỉnh và điều khiển.
Sự khuếch đại lượng tử dựa trên khả năng bơm nguyên tử nhân tạo ba trạng thái từ trạng thái cơ bản của nó lên mức cao trong hai trạng thái kích thích của nó. Để làm như vậy, các nhà nghiên cứu thiết đặt các trường vi sóng ở một tần số bơm đặc biệt truyền dọc theo đường truyền một chiều hướng về phía chất điểm nguyên tử. Các photon gây cảm ứng sự phát xạ tự phát từ nguyên tử đó, làm cho nó phát ra một sóng tán xạ ở một tần số đặc biệt, khuếch đại tín hiệu tổng thể.
“Quá trình then chốt là tạo ra sự đảo lộn cư trú (tương tự như trong laser)”, đồng tác giả Abdufarrukh Abdumalikov ở RIKEN nói. “Nguyên tử của chúng tôi có ba mức năng lượng rời rạc. Chúng tôi thiết đặt một vi sóng kích thích nó từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích thứ hai. Từ trạng thái đó, nguyên tử phóng thích một phần xuống trạng thái cơ bản và một phần xuống trạng thái kích thích thứ nhất. Khi mật độ cư trú của trạng thái kích thích thứ nhất lớn hơn mật độ cư trú của trạng thái cơ bản, thì chúng tôi có sự đảo lộn cư trú. Khi đó chúng tôi thiết lập một tín hiệu vi sóng mà chúng tôi muốn khuếch đại. Nó sẽ cộng hưởng với sự chuyển tiếp trạng thái cơ bản – trạng thái kích thích thứ nhất. Nguyên tắc tương tự như trong các laser”.
Các nhà nghiên cứu đã tính ra độ khuếch đại cực đại khoảng chừng 1,09, tương ứng với trung bình 109 photon phát ra với mỗi 100 photon tới. Abdumalikov giải thích rằng độ khuếch đại cực đại trên lí thuyết là 1,125 hay 112,5 photon phát ra với mỗi 100 photon tới.
Nói chung, sự khuếch đại bởi một nguyên tử nhân tạo độc thân mang lại một thí dụ của một bộ khuếch đại lượng tử sơ cấp, cái có thể dùng là viên gạch cấu trúc cho các bộ khuếch đại lượng tử tùy chỉnh, cỡ lớn dùng cho các ứng dụng đa dạng. Ngoài ra, việc chứng minh sự khuếch đại lượng tử nguyên tử độc thân có thể mở ra các khả năng phát triển những loại bộ khuếch đại lượng tử mới trên-chip và những dụng cụ lượng tử khác, chúng có thể biểu lộ những hiện tượng quang lượng tử mới lạ do sự phối hợp, khả năng tùy chỉnh và khả năng điều khiển của các dụng cụ.
“Đây là công trình đầu tiên thuộc loại này”, Abdumalikov nói. “Nếu chúng ta sử dụng nhiều nguyên tử thì chúng ta có thể thu được độ khuếch đại lớn hơn. Những bộ khuếch đại như vậy có thể dùng trong những lĩnh vực nghiên cứu khác nơi cần đến những bộ khuếch đại mức nhiễu thấp”.
Theo PhysOrg.com
