Bước tiến mới trong điện tử học: các nhà khoa học điều khiển các tính chất của chấm lượng tử

Theo các tác giả, trong tương lai phát triển của họ sẽ giúp giải quyết một trong những vấn đề then chốt trong việc tạo ra máy tính lượng tử và đồng thời đưa việc giám sát y sinh lên một tầm cao mới. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí khoa học có uy tín Optics Express.

Chấm lượng tử là gì?

Chấm lượng tử là tinh thể nano huỳnh quang thấp chiều có triển vọng ứng dụng trong tương tác giữa ánh sáng và vật chất. Chấm lượng tử có khả năng hấp thụ ánh sáng trong một phạm vi rộng và phát sáng trong một phạm vi hẹp của bước sóng, tức là mỗi chấm lượng tử phát ra có một màu sắc (bước sóng) cụ thể tùy thuộc vào kích thước hạt nhân của nó. Nhờ những đặc tính này, các chấm lượng tử là một công cụ lý tưởng để đăng ký các đối tượng sinh học bằng nhiều màu siêu nhạy, cũng như để chẩn đoán y tế.

Công nghệ chấm lượng tử được sử dụng như thế nào?

Các chấm lượng tử đang được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ các thiết bị chiếu sáng và tấm pin mặt trời đến các hệ vật lý gọi là qubit để tính toán lượng tử. Chúng vượt trội so với phốt pho về khả năng phát quang ổn định và độ sáng. Màn hình chấm lượng tử có thể cung cấp độ sáng, độ tương phản cao hơn và tiêu thụ điện năng thấp hơn nhiều so với các công nghệ khác.

Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Công nghệ sinh học Nano (LNBE) thuộc Đại học Tổng hợp nghiên cứu hạt nhân quốc gia Nga (MEPHI), lần đầu tiên chứng minh được sự gia tăng cả cường độ và tốc độ phát xạ tự phát của các chấm lượng tử bán dẫn trong các cấu trúc quang tử dựa trên silicon xốp.

Kết quả thu được giúp các nhà khoa học tìm cách tiếp cận mới đến việc kiểm soát hiện tượng phát xạ tự phát bằng cách thay đổi môi trường điện từ cục bộ của phốt pho trong ma trận xốp, mở ra triển vọng cho các ứng dụng mới trong lĩnh vực cảm biến sinh học, quang điện tử, mật mã và tính toán lượng tử.

Trước hết, các hệ thống được phát triển bởi các nhà khoa học Nga là cơ sở tuyệt vời để tạo ra các cảm biến sinh học huỳnh quang nhỏ gọn được sử dụng trong xét nghiệm miễn dịch hấp thụ liên kết với enzyme  - kỹ thuật phân tử sinh học được sử dụng rộng rãi trong thực hành lâm sàng. Việc sử dụng các chấm lượng tử với tính huỳnh quang được tăng cường bởi tinh thể quang tử sẽ làm tăng đáng kể độ nhạy của xét nghiệm, giúp phát hiện sớm tổn thương khi trong máu bệnh nhân chưa có nhiều dấu ấn sinh học để chẩn đoán bệnh, và sẽ giúp theo dõi quá trình điều trị bệnh nhân.

Ngoài ra, phát triển mới sẽ giúp tạo ra một cơ sở mới cho máy tính quang học hoặc hệ thống mật mã, thay thế các nguồn cồng kềnh của các photon đơn hoặc các phần tử logic quang học. Việc sử dụng các hệ thống mới trong lĩnh vực này không chỉ đơn giản  hóa hoạt động mà còn cho phép giải quyết một trong những vấn đề quan trọng nhất - sản sinh các photon đơn lẻ hoặc các photon vướng víu "theo yêu cầu"(on-demand), điều mà ngày nay chưa thể làm được.

Các cặp photon vướng víu ở trạng thái lượng tử tương quan đóng một vai trò rất quan trọng trong vật lý hiện đại. Nếu không có các cặp photon vướng víu thì không có giao tiếp lượng tử và dịch chuyển lượng tử, không thể tạo ra máy tính lượng tử kết nối với Internet lượng tử. Với sự ra đời của máy tính lượng tử, nguyên tắc hoạt động của một số lĩnh vực - mô hình phân tử, mật mã, trí tuệ nhân tạo - có thể thay đổi hoàn toàn.

Các nhà khoa học từ Viện NRNU MEPhI đã đạt được kết quả này bằng cách sử dụng công nghệ oxy hóa sâu các tinh thể quang tử, giúp dập tắt sự phát xạ của chấm lượng tử, cũng như hấp thụ photon có chứa ít năng lượng hơn.

"Các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để tăng cường khả năng phát quang của các cấu trúc như vậy, đặc biệt là phương pháp sử dụng các tinh thể quang tử. Việc thay đổi chiết suất trong tinh thể quang tử có thể làm cho mật độ trạng thái quang tử tăng cục bộ, nhờ đó làm tăng cường độ và tốc độ phát xạ tự phát của phốt pho", - ông Pavel Samokhvalov, nhân viên của Phòng thí nghiệm Công nghệ sinh học Nano (LNBE) thuộc Đại học Tổng hợp nghiên cứu hạt nhân quốc gia Nga (MEPHI) nói với Sputnik.

Silicon xốp được sử dụng rộng rãi để tạo ra tinh thể quang tử. Những ưu điểm của silicon xốp so với các vật liệu khác là khả năng kiểm soát chính xác chỉ số khúc xạ, dễ sản xuất và khả năng hấp thụ cao.

Tuy nhiên, cho đến gần đây, các nhà khoa học không thể tăng tốc độ giãn bức xạ của phốt pho trong tinh thể quang tử của silicon xốp vì việc phát quang bị dập tắt đáng kể tại điểm tiếp xúc với bề mặt silicon.