Đột phá chip quang tử: Các nhà khoa học NIST tạo ra laser với mọi bước sóng mong muốn

Các con chip điện tử đã từng thay đổi thế giới bằng cách đóng gói hàng tỷ thiết bị điện tử vào một diện tích nhỏ. Giờ đây, các nhà khoa học đang đứng trước ngưỡng cửa của một cuộc cách mạng công nghệ tương tự, nhưng lần này sử dụng ánh sáng thay vì điện tử.

Minh họa nguyên lý hoạt động của laser đa bước sóng

Trong một bước tiến quan trọng, các nhà nghiên cứu tại NIST và các cộng sự đã tiên phong trong việc chế tạo các mạch tích hợp cho ánh sáng (photonic chips). Những con chip này sử dụng các thiết bị quang học như laser, bộ dẫn sóng và bộ lọc để vận chuyển và xử lý thông tin. Sự phát triển này có thể mang lại lợi ích to lớn cho các công nghệ mới nổi như trí tuệ nhân tạo (AI), máy tính lượng tử và đồng hồ nguyên tử quang học.

Thách thức về màu sắc của Laser

Mặc dù ánh sáng có những khả năng mà điện tử không thể so sánh được — các photon (hạt ánh sáng) di chuyển nhanh hơn nhiều so với electron trong mạch — nhưng vẫn còn những rào cản lớn. Một trong những trở ngại chính là laser. Các loại laser chất lượng cao, nhỏ gọn và hiệu quả hiện nay chỉ tồn tại ở một số bước sóng (màu sắc) hạn chế, chủ yếu là ánh sáng hồng ngoại 980 nanomet.

Tuy nhiên, các công nghệ lượng tử như đồng hồ nguyên tử hay máy tính lượng tử lại yêu cầu ánh sáng laser ở nhiều màu sắc cụ thể khác nhau. Ví dụ, nguyên tử Rubidi dùng trong máy tính lượng tử phản ứng với ánh sáng đỏ (780nm), trong khi nguyên tử Strontium lại cần ánh sáng xanh (461nm). Các laser tạo ra những màu sắc chuyên biệt này thường có kích thước lớn, tốn kém và tiêu thụ nhiều điện năng, khiến các công nghệ lượng tử bị giới hạn trong các phòng thí nghiệm chuyên dụng.

Giải pháp "bánh kem nhiều tầng"

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu của NIST đã tạo ra một con chip quang tử có cấu trúc giống như một chiếc bánh kem nhiều tầng. Họ bắt đầu với một tấm wafer silicon chuẩn được phủ lớp silicon dioxide (kính) và niobat lithi — một vật liệu phi tuyến tính có thể thay đổi màu sắc của ánh sáng đi qua nó.

Chip quang tử mới trong phòng thí nghiệm

Điểm mấu chốt của phát minh này là lớp phủ thứ hai bằng một vật liệu phi tuyến tính khác gọi là oxit tantali (tantala). Tantala có khả năng biến đổi ánh sáng một cách kỳ diệu, nhận một màu laser duy nhất và tạo ra toàn bộ cầu vồng các màu sắc ánh sáng nhìn thấy cùng với một dải bước sóng hồng ngoại rộng. Các nhà khoa học đã dành nhiều năm để phát triển kỹ thuật chế tạo mạch từ tantala mà không làm nóng nó, cho phép vật liệu này được phủ lên các vật liệu khác mà không gây hư hại.

Bằng cách sắp xếp các vật liệu khác nhau chồng lên nhau trong một chồng 3D, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một con chip duy nhất có thể định tuyến ánh sáng hiệu quả giữa các lớp. Điều này cho phép kết hợp khả năng thao tác ánh sáng của tantala với tính khả kiểm soát của niobat lithi.

Kết quả là, họ đã có thể lắp đặt khoảng 50 con chip kích thước bằng móng tay, mỗi chip chứa 10.000 mạch quang tử với mỗi mạch phát ra một màu sắc độc nhất, lên một tấm wafer kích thước bằng một chiếc lót ly bia.

"Chúng tôi có thể tạo ra tất cả những màu sắc khác nhau này, chỉ bằng cách thiết kế mạch," Scott Papp, nhà vật lý học tại NIST, chia sẻ.

Ứng dụng cho Lượng tử và AI

Các công nghệ lượng tử như đồng hồ và máy tính có thể là những người hưởng lợi lớn nhất từ mạch quang tử tích hợp. Những thiết bị này thường sử dụng các mảng nguyên tử để lưu trữ và xử lý thông tin, đòi hỏi laser phải được điều chỉnh chính xác theo mức năng lượng lượng tử bên trong của từng loại nguyên tử.

Chi tiết cấu trúc chip quang tử

Những con chip mới này giúp loại bỏ các hệ thống laser cồng kềnh, tốn kém, mở đường cho việc đưa máy tính lượng tử và đồng hồ nguyên tử ra khỏi phòng thí nghiệm. Ví dụ, các đồng hồ nguyên tử quang học giá rẻ, tiêu thụ ít điện năng có thể giúp dự đoán phun trào núi lửa, động đất, cung cấp giải pháp thay thế cho GPS hoặc giúp các nhà khoa học nghiên cứu về vật chất tối.

Không chỉ phục vụ lượng tử, Papp tin rằng các chip quang tử của NIST có thể giúp vận chuyển tín hiệu hiệu quả hơn giữa các con chip chuyên dụng được các công ty công nghệ sử dụng, có thể làm cho các công cụ dựa trên AI trở nên mạnh mẽ và hiệu quả hơn. Các công ty công nghệ cũng đang quan tâm đến việc sử dụng quang tử để cải thiện màn hình thực tế ảo (VR).

Mặc dù các con chip của NIST chưa sẵn sàng cho sản xuất hàng loạt, nhưng kỹ thuật chế tạo chúng đã mở ra một con đường rõ ràng cho tương lai. NIST đang hợp tác với startup Octave Photonics để mở rộng quy mô công nghệ này.

"Khi bạn thấy con chip phát sáng trong phòng thí nghiệm, nhận ánh sáng vô hình và tạo ra tất cả ánh sáng nhìn thấy này trong một con chip tích hợp — điều đó cho thấy có bao nhiêu ứng dụng tiềm năng," Papp kết luận.