100 TRIỆU PHOTON MỖI GIÂY TỪ MỘT PHÂN TỬ

Truyền thông lượng tử, mạng lượng tử và máy tính lượng tử quang học đều dựa trên cùng một bộ phận cơ bản: một nguồn đơn photon, tức thiết bị phát ánh sáng từng photon một, theo yêu cầu, với mỗi photon giống hệt photon tiếp theo.

Có nhiều ứng viên: nguyên tử đơn lẻ, ion bị bẫy, chấm lượng tử bán dẫn — loại trưởng thành nhất — và các khuyết tật trong kim cương hoặc silic. Phân tử hữu cơ là một hướng khác. Cấu trúc của chúng do hóa học quyết định, từng nguyên tử một, và có thể tái tạo chính xác; màu của chúng có thể được chọn bằng cách thiết kế phân tử. Chúng nhỏ bé và rẻ để chế tạo. Khi được làm lạnh gần độ không tuyệt đối bên trong một tinh thể chủ, chúng phát ra ánh sáng có độ tinh khiết phổ cao nhất có thể và hầu như không bao giờ bị hao mòn.

Vấn đề: ánh sáng bị mất

Một nguồn phát gửi ánh sáng đi theo mọi hướng, và phần lớn bị giữ lại bên trong vật liệu do phản xạ toàn phần. Một photon trượt khỏi thấu kính đầu tiên là mất vĩnh viễn. Các giải pháp thông thường — vi hốc cộng hưởng, dây nano — đòi hỏi phải khắc vật liệu. Điều đó là không thể ở đây: những tinh thể hữu cơ cho ánh sáng tốt nhất lại mỏng manh và không sống sót qua các quy trình chế tạo.

Một tấm gương, một mái vòm và một lớp dày 140 nanomét

Nhóm của Stephan Götzinger tại Viện Max Planck về Khoa học Ánh sáng ở Erlangen đã dùng một ăng-ten phẳng thay thế. Một tấm gương bạc nằm dưới một lớp silica. Bên trên, một bán cầu bằng zirconi oxit — một “thấu kính ngâm rắn” (solid immersion lens) — được gắn trực tiếp lên đế, để lại một khe hở chỉ dày 140 nanomét. Khe hở này được lấp đầy bằng một tinh thể hữu cơ nóng chảy (1,4-dichlorobenzen) chứa vài phân tử dibenzoterrylen, rồi để đông đặc lại.

Ánh sáng được dẫn về phía mái vòm có chiết suất cao; tấm gương hắt ngược lại phần ánh sáng định thoát theo hướng kia. Điều cốt yếu là bản thân tinh thể không bao giờ bị khắc: toàn bộ cấu trúc nằm ở đế. Ăng-ten không dựa vào một cộng hưởng hẹp, nên nó hoạt động trên một dải màu rộng và hầu như không phụ thuộc vào hướng của phân tử. Mẫu được làm lạnh tới 1,4 kelvin (−271,75 °C).

Các con số

• Hiệu suất thu: 97 ± 2 % ánh sáng tới được thấu kính đầu tiên.
• Khoảng 100 triệu photon mỗi giây được thu từ một phân tử trên toàn bộ phổ của nó — theo các tác giả, đây là tốc độ cao nhất từng được báo cáo đối với mọi nguồn đơn photon ở nhiệt độ cực thấp, bất kể nền tảng. Tốc độ phát hiện được, 21,3 triệu lần đếm mỗi giây, cao gấp mười lần các nguồn phân tử ở nhiệt độ cực thấp trước đây.
• Độ tinh khiết: trên 97,5 % — các photon thực sự đi ra từng hạt một, ngay cả khi bị kích thích mạnh.
• Độ không phân biệt được: 91,2 ± 2,3 % — mức độ giống hệt nhau giữa các photon liên tiếp, bị giới hạn bởi một lượng mất kết hợp nhỏ còn sót lại.
• Hai photon phát ra cách nhau 170,7 nano giây vẫn giao thoa với độ tương phản cao.
• Như một sản phẩm phụ, nhóm đã đo được rằng phân tử chuyển khoảng 90 % số lần kích thích của nó thành ánh sáng — ước tính trực tiếp đầu tiên ở nhiệt độ thấp cho phân tử này.

Phân tử hữu cơ gia nhập cuộc đua

Kết quả này đặt phân tử hữu cơ vào hàng các nền tảng cạnh tranh cho photon đơn: vừa sáng, vừa tinh khiết, vừa kết hợp cùng lúc. Vì ăng-ten không cần được tinh chỉnh cho một phân tử cụ thể, các tác giả kỳ vọng nó hoạt động với các cặp phân tử–tinh thể khác, và do đó ở những màu khác. Mục tiêu tiếp theo của họ: điều chỉnh nhiều phân tử lân cận về cùng một tần số để tạo ra những trạng thái lượng tử phức tạp hơn của ánh sáng — một bước tiến tới các mạng quang tử lượng tử trong tương lai.