Làm cho các đơn nguyên tử trở nên trong suốt

Làm cho một chất mờ đục trở nên trong suốt có vẻ như là chuyện thần kì. Nhưng trong hơn một thập kỉ qua, các nhà vật lí đã có thể làm như thế trong các chất khí nguyên tử, sử dụng hiện tượng trong suốt cảm ứng điện từ (EIT). Tuy nhiên, giờ thì hiệu ứng có vẻ thần kì này lần đầu tiên đã được quan sát thấy ở các đơn nguyên tử - và trong những nguyên tử “nhân tạo” gồm một vòng siêu dẫn.

EIT xảy ra trong những môi trường nhất định thông thường không truyền ánh sáng ở một bước sóng nhất định, nhưng có thể làm cho trong suốt bằng cách sử dụng một chùm ánh sáng thứ hai ở bước sóng hơi khác một chút. EIT vốn nổi tiếng được khai thác để làm chậm các xung ánh sáng sao cho chúng được “lưu trữ” một cách hiệu quả trong một môi trường – và kỉ lục hiện nay là một xung lưu trữ trong một đám mây nguyên tử cực lạnh trong thời gian hơn một giây. Khả năng lưu trữ ánh sáng theo kiểu như thế này có thể có ứng dụng trong các hệ viễn thông quang học hoặc thậm chí trong các máy tính lượng tử gốc ánh sáng.

EIT đòi hỏi các nguyên tử có một cấu hình đặc biệt gồm ba mức năng lượng trong đó các chuyển tiếp giữa một cặp mức đặc biệt là bị cấm. Hiện nay, Abdufarrukh Abdumalikov và các đồng nghiệp tại Viện Khoa học Cao cấp RIKEN ở gần Tokyo và trường đại học Loughborough ở Anh vừa tạo ra được một nguyên tử nhân tạo có những mức năng lượng cần thiết, sử dụng một vòng siêu dẫn đường kính chừng 1 μm.

Vòng siêu dẫn được ngắt ra bởi bốn tiếp xúc Josephson – những lớp cách điện mỏng mà qua đó các electron siêu dẫn phải chui hầm. Một từ trường được đặt lên vòng dây, gây ra một dòng điện chạy liên tục. Dòng điện này bị lượng tử hóa thành những giá trị rời rạc – với các năng lượng khác nhau. Các chuyển tiếp giữa những mức năng lượng được thực hiện thông qua sự hấp thụ hoặc phát xạ vi sóng, chúng được dẫn hướng tới và từ nguyên tử nhân tạo ra bằng một bộ dẫn sóng nhỏ xíu.

Đội nghiên cứu tập trung vào ba mức năng lượng thấp nhất (1, 2 và 3 theo trật tự tăng dần), chúng sắp xếp sao cho các chuyển tiếp giữa mức 1 và mức 3 là bị cấm, nhưng các chuyển tiếp 1-2 và 2-3 thì được phép. Khi vi sóng “khảo sát” có năng lượng bằng với chuyển tiếp 1-2 được chiếu vào nguyên tử nhân tạo trên, thì chúng làm cho hệ dao động nhanh chóng giữa hai mức đó. Được gọi là “dao động Rabi”, nó làm cho đa phần vi sóng bị phản xạ khỏi nguyên tử trên.

Các nhà nghiên cứu thu được EIT bằng cách chiếu một chùm vi sóng “điều khiển” thứ hai có năng lượng bằng chuyển tiếp 2-3 vào nguyên tử trên. Chùm này gây ra một dao động Rabi thứ hai. Hai dao động giao thoa triệt tiêu nhau, làm cho ánh sáng khảo sát được truyền qua.

Abdumalikov cùng các đồng nghiệp đưa dụng cụ của họ vào kiểm tra bằng cách đo sự truyền vi sóng khảo sát qua nguyên tử nhân tạo trên trong khi giảm cường độ của chùm điều khiển. Họ nhận thấy sự truyền xung khảo sát giảm đi 96% khi chùm điều khiển giảm xuống mức zero.

Đội nghiên cứu tin rằng dụng cụ trên có thể có ứng dụng làm một cái gương có thể tắt mở cho vi sóng – và nếu được mở rộng để hoạt động ở những bước sóng quang học, nó có thể có ứng dụng trong các hệ xử lí thông tin quang lượng tử.

Suzanne Gildert thuộc trường đại học Birmingham mô tả công trình trên là “một bước tiến lớn” trong sự phát triển của công nghệ thông tin lượng tử. “Tôi nghiêng về quan điểm cho rằng các dụng cụ siêu dẫn là một trong những con đường triển vọng nhất (nếu không nói là duy nhất) để đạt tới những bộ xử lí thông tin lượng tử”, bà nói. “Phát triển này chứng minh cho một cơ chế điều khiển tiềm năng mới trong mạch điện quang lượng tử có thể tương thích với một số mẫu dụng cụ siêu dẫn hiện có (các qubit gốc tiếp xúc Josephson)”.

Nghiên cứu trên đã đăng trên website bản thảo arXiv và sẽ được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Trong khi đó, Martin Mücke và các đồng nghiệp tại Viện Max Planck Quang học Lượng tử ở Garching, Đức, đã quan sát thấy EIT ở chỉ một nguyên tử rubdium. Nguyên tử trên được cô lập trong một bẫy từ-quang, sử dụng kết hợp ánh sáng laser và từ trường. Đội nghiên cứu tập trung vào những chuyển tiếp giữa ba trạng thái nguyên tử siêu tinh tế, cái liên quan đến sự phát xạ hoặc hấp thụ ánh sáng và được chọn vì có một chuyển tiếp bị cấm.

Khi ánh sáng khảo sát và ánh sáng điều khiển cùng chiếu lên nguyên tử, ánh sáng khảo sát được truyền qua bẫy. Tuy nhiên, khi chùm ánh sáng điều khiển tắt đi, thì Mücke và đồng nghiệp thấy sự truyền qua giảm đi 20%. Sau đó, đội đã nghiên cứu các tác dụng của việc thêm những nguyên tử khác vào trong hộp quang và nhận thấy cuối cùng thì xảy ra sự giảm 60% khả năng truyền qua khi sử dụng bảy nguyên tử.

Theo physicsworld.com