Máy phát sóng tần số Terahertz (THz) sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao.

5.787

Các bức xạ điện từ ở dải tần THz (1012 Hz) có thể đem lại những ứng dụng hết sức to lớn, từ việc phát hiện các chất nổ cho đến việc chẩn đoán, điều trị ung thư. Thế nhưng trở ngại giữa khoảng cách từ các sóng vi ba (microwave) cho đến hồng ngoại (bức xạ THz) không dễ dàng vượt qua bởi các bức xạ THz không dễ dàng sản sinh do tần số của chúng quá cao đối với các linh kiện phát dựa trên vật liệu bán dẫn, nhưng lại quá thấp để có thể tạo ra nhờ các máy laser chất rắn. Và mới đây, các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ, Thổ Nhĩ Kì và Nhật Bản đã chỉ ra rằng có thể giải quyết vấn đề này bằng cách khai thác lớp tiếp xúc Josephson trong các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (Science 318, 1291).

Lớp tiếp xúc Josephson được cấu tạo bởi hai lớp vật liệu siêu dẫn ngăn cách bởi một lớp điện môi mỏng đã được biết đến từ rất lâu, như là một trong những điển hình về hiệu ứng chui hầm lượng tử. Nếu ta đặt vào một hiệu điện thế ngang qua lớp tiếp xúc này để tạo ra một dòng siêu dẫn xoay chiều, sẽ dẫn đến việc phát ra các photon ở tần số phù hợp với khe năng lượng của chất siêu dẫn. Hay nói cách khác, lớp tiếp xúc Josephson có thể sản sinh ra các bức xạ điện từ.

Không may thay, khe năng lượng trong các lớp tiếp xúc Josephson tạo ra trong phòng thí nghiệm dựa trên các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp truyền thống (ví dụ như Niobium, Nb) lại quá nhỏ để tạo ra bức xạ ở dải tần THz và tồi hơn nữa là công suất phát cũng khá thấp. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng sử dụng thủ thuật tạo ra các dãy lớp tiếp xúc để làm tăng công suất phát, nhưng việc đồng bộ các lớp tiếp xúc là rất khó do vậy việc tạo ra các bức xạ điện từ kết hợp lại càng trở nên khó khăn hơn.

Hình 1. Cấu trúc linh kiện của nhóm Welp (Science 318, 1291).

Ulrich Welp (thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Argone, Hoa Kỳ) cùng cộng sự đã khẳng định hai vấn đề trên đều có thể giải quyết bằng cách sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao. Không giống như các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ thấp, các chất siêu dẫn nhiệt độ cao không cần phải tạo ra trong lớp tiếp xúc Josephson bởi vì chúng đã tự nhiên chứa một lượng chất ở khắp nơi trong các cấu trúc lớp đơn nhất. Và đồng thời chúng cũng có khe năng lượng tương đối lớn đủ để có thể phát các bức xạ trong dải sóng THz. Và quan trọng hơn, nhóm của Welp đã phát hiện ra một cách rất đơn giản để đồng bộ hóa các bức xạ (pha của các sóng phát nội tại từ các lớp tiếp xúc Josephson trong các vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao) để có thể tạo ra công suất phát ở mức miliwatts (mW). "Ta có thể nhìn thấy hàng loạt các ứng dụng như thăm dò, ghi ảnh... sử dụng bức xạ THz cho dải công suất này" - Welp nói.

Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao Bi₂Sr₂CaCu₂O₈, được biết đến với tên viết tắt BSCCO với các lớp Josephson nội tại được tạo ra và sắp xếp liên tục giữa các lớp siêu dẫn CuO₂ dải rác vác các lớp điện môi BiO và SrO. Khi đặt một hiệu điện thế ngang qua mẫu BSCCO, sẽ khiến cho các lớp này phát ra bức xạ điện từ ở một tần số nhất định nhưng không kết hợp về pha. Cũng giống như với laser, thủ thuật để tạo nên sự bức xạ đồng pha là thay đổi hiệu điện thế cho đến khi nào tần số phát ra tương ứng với tần số cộng hưởng của hốc. Tại tần số đó, điện trường sẽ tự bù trừ nhau về mặt pha và giúp cho bức xạ được đồng bộ hóa. Ban đầu chỉ có một vài lớp tiếp xúc đồng pha, nhưng sau đó hiệu ứng này được làm mạnh thêm một cách dữ dội hơn, nhờ kiểu phản hồi dẫn đến việc cả dải sóng phát ra được đồng pha.

Hình 2. Kết quả về tần số bức xạ phát ra (Science 318, 1291).

Nhóm nghiên cứu của Welp đã chế tạo các mẫu BSCCO với chiều cao 300 µm, và tạo ra một hệ với 200 ngàn lớp tiếp xúc Josephson nội tại, và phát ra công suất cỡ 0,5 µW cho tần số tới 0,85 THz.

Welp cho biết, ông mong muốn nhờ sự tối ưu hóa kỹ thuật, công suất phát có thể đạt tới 1 mW. Mức công suất này có thể được sử dụng, ví dụ như ở sân bay để tìm ra dấu viết của chất nổ, mặc dù ông thừa nhận rằng có một số khó khăn cho việc sử dụng linh kiện này ở mức độ thương phẩm. "Nhìn chung, càng có công suất cao hơn, tỉ số tín hiệu - nhiễu sẽ càng tốt hơn và sẽ có thể tiến hành nhanh, chính xác hơn trong các ứng dụng ghi hình ảnh" - Welp nói thêm.