Các nhà khoa học kéo giãn được "graphene trắng" để điều chỉnh mức năng lượng ánh sáng

Đã từ lâu, khả năng điều chỉnh năng lượng của ánh sáng lượng tử được kì vọng là một trong những thành phần cốt lõi cho sự phát triển của mạng lưới thông tin lượng tử - nơi mà các hạt photon, đơn vị nhỏ nhất của ánh sáng, được sử dụng để chuyển giao thông tin giữa các trạm phát cách xa nhau. Tuy nhiên, công nghệ truyền tin lượng tử bị hạn chế rất nhiều bởi những khó khăn về mặt kỹ thuật, cụ thể là trong việc điều khiển mức năng lượng của những nguồn sáng lượng tử.

Các nhà khoa học từ trường Đại Học Công Nghệ Sydney (UTS) và Đại Học Quốc Gia Úc (ANU), dẫn đầu là Tiến sĩ Trần Trọng Toàn, nghiên cứu sinh Mendelson Noah cùng các đồng nghiệp khác đã tìm ra một giải pháp đột phá cho vấn đề nan giải: bằng cách tận dụng khả năng chịu được sự kéo giãn cực cao của vật liệu hai chiều Boron Nitride Lục Giác, còn được gọi là "Graphene Trắng" do sở cấu trúc giống với vật liệu graphene.

Công trình nghiên cứu của họ đã lập kỷ lục thế giới về mức độ điều chỉnh năng lượng của ánh sáng lượng tử phát ra từ vật liệu hai chiều, lớn hơn gần 10 lần so với nghiên cứu gần đây nhất. Nghiên cứu khoa học dẫn đầu bởi tiến sĩ gốc Việt hứa hẹn sẽ giúp cho các nhóm nghiên cứu khác đẩy mạnh tiến độ nghiên cứu và thiết kế nên mạng lưới thông tin lượng tử cũng như các công nghệ lượng tử khác. Bài viết về thành công mới đã được công bố trên tạp chí Advanced Materials, một trong những tạp chí khoa học hàng đầu thế giới về khoa học vật liệu và công nghệ vật liệu.

Một hình minh họa mô phỏng sự điều chỉnh năng lượng của ánh sáng lượng tử khi vật liệu hai chiều được kéo giãn. (Đồ họa: TS. Trần Trọng Toàn, giảng viên trường Đại Học Cộng Nghê Sydney (UTS) và là tác giả phản biện của công trình nghiên cứu này).

Bằng một phương pháp tổng hợp đặc biệt tại phòng thí nghiệm ở UTS, các nhà nghiên cứu đã tạo ra được vật liệu hai chiều Boron Nitride Lục Giác có chứa các nguồn sáng lượng tử cực mạnh và bền bỉ trong điều kiện nhiệt độ phòng. Sau đó, họ đã dùng các thiết bị chuyên dụng để kéo giãn mạng tinh thể của vật liệu này, với mục đích là làm biến dạng các nguồn sáng và từ đó điều chỉnh được năng lượng của ánh sáng lượng tử phát ra từ chúng. Các mức năng lượng của ánh sáng được biểu hiện bởi các màu sắc khác nhau của ánh sáng phát ra từ nguồn sáng lượng tử.

"Nó giống như việc bạn kéo giãn một sợi thun bằng hai tay. Tùy theo lực kéo của bạn mà ánh sáng phát ra từ sợi thun đó biến từ màu cam sang màu đỏ hay ngược lại, tương tự như chiếc đèn LED trên cây thông Giáng Sinh, liên tục chuyển từ màu cam sang đỏ và ngược lại. Tuy nhiên tất cả đều ở kích thước nanomét", Mendelson Noah, nghiên cứu sinh tại UTS và cũng là tác giả dẫn đầu của công trình nghiên cứu nói.

"Việc tận mắt nhìn thấy hiện tượng đổi màu ánh sáng ở mức độ lượng tử trong phòng thí nghiệm thật là thú vị, không chỉ từ góc độ nghiên cứu thuần túy mà nó còn mở ra rất nhiều ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực khoa học và kỹ thuật lượng tử," anh nói thêm.

NCS. Mendelson Noah và TS. Trần Trọng Toàn, Khoa Vật Lý, Đại Học Cộng Nghê Sydney (UTS), Úc.

Boron Nitride Lục Giác không giống như những vật liệu khác dùng trong những ứng dụng tương tự. Những vật liệu như Kim Cương, Silicon Carbide, hay Gallium Nitride rất cứng, dễ vỡ và không thể co giãn được. Trái lại, Boron Nitride Lục Giác là một vật liệu rất đặc biệt, cũng giống như Graphene, nó có thể bị kéo giãn đến vài phần trăm chiều dài ban đầu mà không bị đứt gãy.

"Chúng tôi đã và vẫn bị ngạc nhiên bởi tính chất vật lý ưu việt của vật liệu này, dù là cơ tính, điện tính hay quang tính. Những tính chất này không những có thể biến những thí nghiệm vật lý đặc biệt thành hiện thực mà còn có thể dẫn đến hàng loạt ứng dụng thực tế trong tương lai gần," GS. Aharonovich Igor, đồng tác giả của nghiên cứu, nói.

Ngay từ những quan sát đầu tiên của hiện tượng đặc biệt này, TS. Trần Trọng Toàn, người dẫn đầu thí nghiệm ở UTS, đã nhận ra nhóm nghiên cứu của anh có thể đã chạm đến một phát hiện rất đặc biệt. Các nhà vật lý thực nghiệm này đã nhanh chóng liên hệ với một trong những nhà vật lý lý thuyết hàng đầu thế giới, TS. Doherty Marcus (từ ANU), để cùng nhau giải mã cơ chế đằng sau phát hiện mang tính đột phá. Với sự kết hợp hiệu quả từ hai phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã gặt hái được thành công mỹ mãn, kết quả thí nghiệm của họ được lý giải đầy đủ bởi một mô hình mô lý thuyết vững chắc.

Hiện nay, nhóm nghiên cứu đang tập trung vào những nghiên cứu tiếp dựa vào nền tảng của báo cáo khoa học mới có được. Một trong những dự án này là một thí nghiệm kiểm chứng tính thực thi của sự giao kết lượng tử từ hai nguồn sáng có năng lượng ban đầu khác nhau trong vật liệu Boron Nitride Lục Giác để tạo thành một "bit quang lượng tử" - thành phần cơ bản của mạng lưới thông tin lượng tử trong tương lai.

"Chúng tôi nghĩ rằng nghiên cứu của chúng tôi có thể dẫn đến các thí nghiệm vật lý cơ bản dùng để tạo nền tảng cho sự phát triển của hệ thống Internet lượng tử trong tương lai."

Báo cáo nghiên cứu dã được đăng tải trên phys.org.

• Các nhà vật lý ép ánh sáng đến giới hạn lượng tử
• Dịch chuyển lượng tử một hạt photon mang thông tin vào khoảng trống nằm giữa viên kim cương