Vật liệu cốt lõi cho thiết bị siêu lạnh trong máy tính lượng tử

2 giờ trướcBài gốc

Ở nhiệt độ cực thấp – mức cần thiết cho các thiết bị lượng tử – các tinh thể strontium titanate (gồm các nguyên tử và lưỡng chóp màu tím) cho phép trường điện định hình trường ánh sáng (màu xanh) với độ chính xác và hiệu quả vượt trội hơn hàng bậc độ lớn so với bất kỳ vật liệu nào khác

Trong những năm gần đây, hiện tượng siêu dẫn và máy tính lượng tử đã vượt khỏi khuôn khổ nghiên cứu lý thuyết để bước vào tầm quan tâm của công chúng. Giải Nobel Vật lý 2025 đã vinh danh những đột phá trong lĩnh vực mạch lượng tử siêu dẫn – một bước tiến quan trọng hướng tới việc phát triển các siêu máy tính của tương lai.

Tìm vật liệu cho thiết bị siêu lạnh

Tuy nhiên, ít ai biết rằng những công nghệ tiên tiến này chỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ siêu lạnh, gần bằng không tuyệt đối. Trong điều kiện khắc nghiệt ấy, hầu hết các vật liệu đều mất đi những đặc tính vật lý vốn có, trở thành thách thức lớn cho sự phát triển thực tế.

Một nghiên cứu gần đây đăng trên Science của nhóm kỹ sư Đại học Stanford đã làm sáng tỏ một vật liệu có thể vượt qua giới hạn đó: strontium titanate (STO). Không giống phần lớn các vật chất khác, các đặc tính quang học và cơ học của STO không những vẫn bền vững trong môi trường siêu lạnh mà còn được cải thiện đáng kể, vượt xa các vật liệu tương tự.

Nhóm nghiên cứu cho rằng STO có thể trở thành nền tảng cho thế hệ thiết bị quang học và cơ học mới, được thiết kế riêng để hoạt động trong môi trường siêu lạnh – mở ra bước tiến cho các lĩnh vực như điện toán lượng tử và thám hiểm không gian.

Giáo sư Jelena Vuckovic, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Strontium titanate có hiệu ứng điện – quang mạnh gấp 40 lần so với vật liệu điện – quang phổ biến nhất hiện nay. Và điều đặc biệt là nó vẫn hoạt động tốt ở nhiệt độ siêu lạnh, rất hữu ích cho việc chế tạo bộ chuyển đổi và công tắc lượng tử – những nút thắt cổ chai trong công nghệ lượng tử hiện nay”.

Hiệu năng đỉnh cao

Các hiệu ứng quang học của STO được mô tả là phi tuyến – nghĩa là khi chịu tác động của điện trường, vật liệu này thay đổi mạnh mẽ đặc tính quang học và cơ học. Nhờ đó, hiệu ứng phi tuyến quang (hiệu ứng điện – quang) trong STO có thể được tận dụng để điều chỉnh tần số, pha, cường độ, hoặc độ lệch của ánh sáng theo những cách mà các vật liệu khác không thể đạt được. Đây chính là chìa khóa để các kỹ sư tạo ra những thiết bị siêu lạnh mới, vốn trước nay chưa từng có khả năng thực thi.

STO còn là vật liệu áp điện – nó có thể giãn nở và co lại khi chịu điện trường, mở ra triển vọng chế tạo các thiết bị điện – cơ có thể vận hành trong môi trường siêu lạnh. Theo nhóm nghiên cứu, đặc tính này đặc biệt hữu ích trong môi trường không gian lạnh giá hoặc trong các bồn chứa nhiên liệu cryogenic của tên lửa.

Tiến sĩ Christopher Anderson, đồng tác giả đầu tiên của nghiên cứu, hiện giảng dạy tại Đại học Illinois Urbana-Champaign, nhấn mạnh: “Ở nhiệt độ thấp, strontium titanate không chỉ là vật liệu quang học có thể điều chỉnh bằng điện mạnh nhất mà chúng ta từng biết, mà còn là vật liệu có khả năng điều chỉnh áp điện mạnh nhất”.

Từ “vật liệu tầm thường” đến ngôi sao mới

STO thực ra không hề mới. Nó đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ, nhưng chưa từng được xem xét trong bối cảnh quang học điều khiển bằng điện ở nhiệt độ siêu lạnh.

Tiến sĩ Giovanni Scuri, đồng tác giả đầu tiên khác, chia sẻ: “Strontium titanate không có gì đặc biệt. Nó không hiếm, không đắt đỏ. Thực tế, nó từng được dùng làm đá quý giả kim cương hoặc làm nền tăng trưởng cho các vật liệu khác giá trị hơn. Nhưng trong bối cảnh siêu lạnh, vật liệu này lại thể hiện hiệu suất vượt trội đến khó tin”.

Theo Anderson, việc chọn STO không phải là kết quả của một cuộc tìm kiếm ngẫu nhiên mà là một lựa chọn có chủ đích. Anderson phân tích: “Chúng tôi biết mình cần những yếu tố gì để tạo ra một vật liệu có khả năng điều chỉnh cao. Khi xem xét các thành phần đó, chúng tôi phát hiện chúng đã tồn tại trong tự nhiên – và STO là ứng viên hoàn hảo. Khi thử nghiệm, thật bất ngờ, nó cho kết quả chính xác như kỳ vọng”.

Từ đó, nhóm nghiên cứu tiếp tục phát triển phương pháp tối ưu hóa vật liệu cho các điều kiện vận hành khác nhau. “Những ý tưởng mà chúng tôi đề xuất có thể được áp dụng để khám phá thêm nhiều vật liệu phi tuyến khác trong các chế độ hoạt động mong muốn, hoặc để cải thiện hiệu suất của những vật liệu đã có”, Scuri cho biết.

Kết quả vượt xa dự đoán

Các nhà nghiên cứu cho biết họ thực sự bất ngờ trước hiệu năng của STO. Trong các thí nghiệm ở nhiệt độ 5 Kelvin (-268°C), STO thể hiện độ phi tuyến quang học cao gấp 20 lần vật liệu tốt nhất hiện nay – lithium niobate, và gần gấp ba lần so với vật liệu siêu lạnh hiệu suất cao nhất trước đó – barium titanate.

Trong các thử nghiệm tiếp theo, nhóm đã thay thế một phần nguyên tử oxy trong cấu trúc tinh thể bằng các đồng vị oxy để đẩy vật liệu đến ngưỡng gọi là “tính tới hạn lượng tử” – và kết quả còn ấn tượng hơn nữa.

Anderson tiết lộ: “Chỉ bằng cách thêm hai neutron vào đúng 33% số nguyên tử oxy, khả năng điều chỉnh của vật liệu đã tăng gấp bốn lần. Chúng tôi đã điều chỉnh công thức đến mức hoàn hảo để đạt hiệu suất tối đa”.

Kế hoạch tiếp theo

Nhóm nghiên cứu nhận định STO còn có nhiều ưu điểm thực tiễn khác hấp dẫn giới kỹ sư: vật liệu này dễ tổng hợp, có thể điều chỉnh cấu trúc để tinh chỉnh đặc tính (như với đồng vị oxy), và phù hợp với quy trình chế tạo vi mạch hiện hành ở quy mô tấm wafer. Tất cả điều này mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị lượng tử siêu lạnh – chẳng hạn như các công tắc laser giúp máy tính lượng tử truyền tải hoặc xử lý dữ liệu.

Nghiên cứu được tài trợ một phần bởi Samsung và nhóm điện toán lượng tử của Google, những đơn vị đang tìm kiếm các vật liệu mới để chế tạo thiết bị cho thế hệ lượng tử tiếp theo. Nhóm của Vuckovic hiện đang tập trung vào việc hiện thực hóa các thiết bị siêu lạnh dựa trên nền tảng strontium titanate.

Anderson khẳng định: “Chúng tôi tìm thấy vật liệu này ngay trên kệ. Dùng thử và kết quả thật tuyệt vời. Chúng tôi hiểu vì sao nó tốt, rồi thêm ‘gia vị đặc biệt’ để khiến nó trở thành vật liệu tốt nhất thế giới cho những ứng dụng này. Một câu chuyện quá hoàn hảo”.

Bùi Tú

Nguồn Một Thế Giới : https://1thegioi.vn/vat-lieu-cot-loi-cho-thiet-bi-sieu-lanh-trong-may-tinh-luong-tu-240739.html