Điện trở nano cho các thiết bị lượng tử

Tấm ảnh này được chụp bằng kính hiển vị điện tử, cho thấy hai điện trở oxit crôm nhỏ gọn trong chuỗi với một sợi dây nano trượt pha lượng tử (Sợi dây nano quá nhỏ để có thể quan sát thấy trong trường hợp này)

Các nhà nghiên cứu thuộc Trung tâm công nghệ nano London đã chế tạo được các điện trở mới, nhỏ gọn và giá trị cao cho các mạch lượng tử kích cỡ nano. Các điện trở này có thể đẩy nhanh sự phát triển các thiết bị lượng tử cho máy tính và nghiên cứu vật lý cơ bản. Các điện trở màng mỏng này được các nhà khoa học giới thiệu trên tạp chí Journal of Applied Physics.

Một ví dụ về ứng dụng cần các điện trở có giá trị cao là mạch trượt pha lượng tử (QPS). Mạch QPS được làm từ các sợi dây dẫn rất mảnh bằng vật liệu siêu dẫn có thể tận dụng các tính chất cơ học lượng tử cơ bản có tên là đường hầm lượng tử (quantum tunneling) để dẫn dòng từ tính liên tục trong dây dẫn này, vượt qua các hàng rào năng lượng mà ở thế giới vật lý cổ điển thông thường sẽ không làm được.

Năm 2006, các nhà nghiên cứu thuộc Viện Khoa học nano Kavli (Hà Lan) đã đề xuất rằng một mạch QPS có thể được sử dụng để định nghĩa lại cường độ dòng điện - đơn vị tiêu chuẩn đo dòng điện - bằng việc gắn nó với các đặc tính cơ bản của vũ trụ (đối lập với một hệ thống vật lý trong phòng thí nghiệm tiêu chuẩn). Một nhóm khoa học khác cũng đề xuất sử dụng các thiết bị QPS như bit lượng tử (qubit) trong các máy tính lượng tử - đơn vị cơ bản của thông tin lượng tử trong các máy tính này.

Các điện trở cần có để “cách ly” các trạng thái lượng tử mong manh trong các thiết bị QPS khỏi thế giới vật lý cổ điển, Paul Warburton, một nhà thực nghiệm nghiên cứu các đặc tính điện tử của các thiết bị nano tại Trung tâm công nghệ nano London cho biết. “Trong các ứng dụng làm tiêu chuẩn dòng điện, các điện trở này cũng đã cho phép thiết bị vận hành ổn định”, Ồng cho biết thêm.

Tuy nhiên các vật liệu tiêu chuẩn dùng để chế tạo các điện trở cho các mạch tích hợp không cung cấp đủ trở kháng ở phạm vi đủ nhỏ để có thể đáp ứng cho mạch QPS.

Warburton và các đồng nghiệp đã chuyển sang hợp chất oxit crôm để chế tạo các điện trở nano nhỏ gọn, có giá trị cao mới. Các nhà nghiên cứu đã chế tạo màng mỏng oxit crôm bằng một phương pháp kỹ thuật có tên là kết tủa phún xạ (sputter deposition). Chúng có khả năng điều chỉnh trở kháng của màng oxit crôm bằng cách kiểm soát lượng oxy trên màng này:  lượng oxy càng thì trở kháng càng cao.

Việc thay thế crôm bằng oxy sẽ ảnh hưởng đến cả số electron vốn có để chuyển dòng và các đường dẫn hữu dụng cho các electron đi qua vật liệu này, Warburton giải thích.

Các nhà nghiên cứu đã làm lạnh những điện trở này xuống 4,2 độ Kelvin và đã đo điện trở suất theo nhiều tỷ lệ khối lượng oxy với crôm. Các loại vật liệu dẫn điện kém, như màng mỏng oxit crôm đã được các nhà nghiên cứu thử nghiệm, nhìn chung có trở kháng cao hơn ở nhiệt độ thấp, và bất kỳ loại điện trở dùng trong thiết bị QPS sẽ phải hoạt động ở nhiệt độ đủ lạnh mà hiệu ứng lượng tử sẽ chiếm ưu thế hơn hiệu ứng cổ điển. Để các điện trở có lượng oxy cao nhất, các nhà nghiên cứu tính toán một trở kháng đủ cao để có thể tương thích với hầu hết các yêu cầu của mạch QPS.

Theo Vista.gov.vn