Sau một thập kỷ làm việc, các nhà nghiên cứu đã đạt được sự tái tạo thực nghiệm đầu tiên của một hàm sóng lượng tử
Hàm sóng – một khái niệm trừu tượng được sử dụng để dự đoán hành vi của các hạt lượng tử – là nền tảng mà các nhà vật lý đã xây dựng sự hiểu biết của họ về cơ học lượng tử. Nhưng bản thân lớp nền này không phải là thứ mà các nhà vật lý có thể nắm bắt một cách hoàn hảo, theo nghĩa đen hay triết học. Hàm sóng không phải là thứ mà người ta có thể cầm trên tay hoặc đặt dưới kính hiển vi. Và thật khó hiểu, một số thuộc tính của nó dường như không có thật. Trên thực tế, các nhà toán học sẽ công khai dán nhãn chúng là tưởng tượng: cái gọi là số tưởng tượng – phát sinh từ những kỳ công dường như vô nghĩa như lấy căn bậc hai của số nguyên âm – là một thành phần quan trọng của sức mạnh đã được chứng minh rõ ràng của một hàm sóng để dự báo kết quả của thí nghiệm trong thế giới thực. Nói tóm lại, nếu một hàm sóng có thể được cho là “tồn tại”, thì nó đang ở ngã tư mơ hồ giữa toán học siêu hình và thực tế vật lý.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học California, Santa Barbara và các đồng nghiệp của họ đã đạt được những bước tiến lớn trong việc kết nối hai lĩnh vực này: lần đầu tiên, họ tái tạo lại một hàm sóng từ phép đo cách một vật liệu bán dẫn phản ứng với một xung ánh sáng cực nhanh. Xuất hiện trên tạp chí Nature vào tháng 11, công trình của nhóm có thể giúp đưa kỹ thuật điện tử và thiết kế vật liệu lượng tử vào một kỷ nguyên mới của sự hiểu biết được tinh chỉnh và sự đổi mới được kiểm soát chính xác.
Đối với các ứng dụng trong thế giới thực, chẳng hạn như thiết bị điện tử hiện đại, hàm sóng hơi bí ẩn là nguồn thông tin tốt nhất của các nhà vật lý về những gì thực sự xảy ra bên trong một số thiết bị mới. Để dự đoán tốc độ di chuyển của một electron bên trong vật liệu hoặc bao nhiêu năng lượng mà nó có thể mang theo, họ phải bắt đầu tính toán của mình với cái gọi là hàm sóng Bloch – được đặt theo tên nhà vật lý Felix Bloch, người đã nghĩ ra nó vào năm 1929. Điều này đặc biệt quan trọng đối với kỹ thuật Joe Costello, một sinh viên vật lý tại UCSB và là đồng tác giả của nghiên cứu gần đây, cho biết thiết bị lượng tử. “Nếu bạn đang nghĩ đến việc chế tạo bất kỳ loại thiết bị nào tận dụng cơ học lượng tử, bạn sẽ cần phải biết các thông số [hàm sóng] của nó thực sự tốt,” ông nhấn mạnh.
Điều này bao gồm cái gọi là pha của hàm sóng, một tham số hoàn toàn tưởng tượng nhưng thường rất quan trọng để thiết kế máy tính lượng tử. “Điều đã được đặc trưng trong một thời gian dài là năng lượng [của các electron]. Đó là cơ sở cho tất cả các thiết bị điện tử, ” Mackillo Kira, nhà vật lý tại Đại học Michigan, người đã đọc bản thảo trước đó của nghiên cứu nhưng không trực tiếp tham gia vào công việc này. “Nhưng bây giờ, với công nghệ thông tin lượng tử, cấp độ tiếp theo là vượt xa hơn thế và cuối cùng có được các giai đoạn [hàm sóng] này.”
Để đạt được cấp độ tiếp theo đó, nhóm nghiên cứu đã sử dụng hai tia laser và vật liệu bán dẫn là arsenide gali. Thí nghiệm của họ bao gồm ba bước: Đầu tiên, họ đánh vào các electron bên trong vật liệu bằng một xung ánh sáng laser cận hồng ngoại. Điều này đã cung cấp thêm năng lượng cho các hạt đó để chúng bắt đầu nhanh chóng chạy qua chất bán dẫn. Khi mỗi electron mang điện tích âm bắt đầu cuộc đua của mình, một cái gọi là lỗ trống, một thứ giống như hạt bóng của nó – giống với electron nhưng mang điện tích dương – chuyển động cùng với nó. Tiếp theo, các nhà nghiên cứu sử dụng một xung laser khác để xé toạc lỗ trống và electron, sau đó nhanh chóng cho phép chúng đoàn tụ với nhau — một dạng phiên bản lượng tử của Peter Pan bị mất bóng và gắn nó lại. Khi lỗ trống và điện tử tái kết hợp, năng lượng bổ sung mà mỗi người tích lũy trong khi chạy solo sẽ được giải phóng dưới dạng một vụ nổ ánh sáng.
Mười năm trước, một nhóm các nhà vật lý do Mark Sherwin của UCSB đứng đầu đã nhận thấy một điều gì đó gây tò mò về những vụ nổ này: đặc tính của chúng nhạy cảm một cách khó hiểu với các đặc tính của xung laze bắt đầu cho hạt chạy ngay từ đầu. Sherwin và các đồng nghiệp của ông nhận ra rằng có một sắc thái quan trọng và phần lớn chưa được khám phá đối với cách các điện tử của chất bán dẫn phản ứng với ánh sáng. “Điều này thật bất ngờ,” anh nhớ lại. “Nhưng chúng tôi quyết định khám phá nó sâu hơn và bắt đầu xem xét nó một cách có hệ thống.” Trong nghiên cứu mới, các tính toán được thực hiện bởi học giả hậu tiến sĩ Qile Wu, một thành viên trong nhóm của Sherwin và đồng tác giả của nghiên cứu, đã chứng minh rằng độ nhạy kể chuyện này không chỉ là sự tò mò đơn thuần vì nó có thể được sử dụng để tái tạo lại các hàm sóng Bloch của lỗ trống trong chất bán dẫn.
Mối liên hệ giữa ánh sáng laser hấp thụ và đèn flash phát ra tự bộc lộ trong các phép đo về đặc tính gọi là phân cực, hoặc hướng mà sóng ánh sáng dao động khi chúng truyền đi. Trong thí nghiệm, sự phân cực của ánh sáng laze ảnh hưởng đến các pha của hàm sóng của các electron đang chạy và của các đối tác bóng tối của chúng, các lỗ trống. Khi sự tái hợp của hai ánh sáng tạo ra ánh sáng vào cuối thí nghiệm, sự phân cực của tia chớp đó được xác định bởi hai pha hàm sóng này. Vì các pha như vậy thường được biểu diễn dưới dạng ảo chứ không phải số thực trong các phương trình của các nhà vật lý, nên việc liên hệ chúng với sự phân cực của ánh sáng rất thực và có thể đo được là một bước đột phá đối với Wu và các cộng sự của ông. Shambhu Ghimire, một nhà vật lý tại Đại học Stanford, người không tham gia vào công việc này, nhấn mạnh chính xác đặc điểm này của nghiên cứu mới: nó sử dụng ánh sáng để thu được thông tin mà trước đây được coi là thuần túy toán học. “Các phương pháp [dựa trên ánh sáng] này đôi khi có thể khó hoặc thực sự thách thức về mặt khái niệm, nhưng hầu hết thời gian, chúng cung cấp quyền truy cập vào phần ảo này của số phức [hàm sóng] mà bạn không có quyền truy cập vào các phương pháp thông thường khác ,” anh ta nói. Hơn nữa, nhóm đã quản lý để thiết kế ngược lại toàn bộ các chức năng của sóng Bloch từ các phép đo phân cực tương tự, “chúng cung cấp quyền truy cập vào phần ảo này của số phức [hàm sóng] mà bạn không có quyền truy cập với các phương pháp thông thường khác, ” ông nói.
Ghimire lưu ý thêm rằng loại ánh sáng laser mà các nhà nghiên cứu UCSB sử dụng còn quan trọng hơn cả sự phân cực của nó. Họ sử dụng các xung laser cực nhanh, chạm vào các electron bằng ánh sáng trong khoảng thời gian nhỏ nhất là một phần nghìn tỷ giây. Các điện tử trong chất rắn có xu hướng va chạm vào nguyên tử thay vì di chuyển liên tục, vì vậy việc có thể điều khiển chúng với tốc độ nhanh như vậy là rất quan trọng để nhóm thực hiện thao tác Peter-Pan-và-cái bóng của mình đối với điện tử và lỗ trống. Nếu không, trong bất kỳ lần chạy thử nghiệm nào, cái này hay cái kia có thể sẽ đâm vào một số vật cản nguyên tử, ngăn cản sự thống nhất. Seamus O’Hara, một đồng tác giả khác của nghiên cứu và là Tiến sĩ. sinh viên trong nhóm của Sherwin, ghi nhận một số lợi thế kỹ thuật đó cho việc nhóm sử dụng cơ sở Laser Điện tử Miễn phí hiện đại nhất của UCSB.
Nhưng tác động của công việc này có thể sẽ vượt ra ngoài các phương tiện chuyên dụng và các chất bán dẫn đơn giản. Nghiên cứu lý thuyết của Wu đối với gallium arsenide cho thấy, rất ít đặc tính của ánh sáng tái tạo phải được biết đến để tái tạo toán học các hàm sóng Bloch. Tuy nhiên, các vật liệu bán dẫn khác có thể yêu cầu kiến thức đầy đủ hơn — và có lẽ khó nắm bắt —. Mette Gaarde, một nhà vật lý tại Đại học Bang Louisiana, người cũng không tham gia nghiên cứu cho biết: “Công trình này rất hấp dẫn như một minh chứng rất cơ bản về điều gì đó bạn có thể làm khi câu trả lời thực sự được xác định rõ ràng. “Nhưng ngụ ý là bạn có thể sử dụng điều này để tìm hiểu điều gì đó về các cấu trúc phức tạp hơn.”
Nhóm UCSB đã lên kế hoạch đầy tham vọng cho các bước tiếp theo. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu quan tâm đến việc áp dụng kỹ thuật của họ cho các vật liệu trong đó các điện tử tương tác mạnh với nhau hoặc nơi mà ánh sáng laser sẽ kích thích các hạt kỳ lạ hơn so với các điện tử và lỗ trống. “Chúng tôi đang tìm kiếm vật liệu mới. Nếu mọi người có chất bán dẫn mà họ muốn xem, chúng tôi rất vui được thử, ” Costello nói, mong muốn có thêm cơ hội để nhìn vào thế giới vô hình của các hàm sóng nhiều lần nữa.
Theo: Scientificamerican.
