Tạo ra viên kim cương tổng hợp giúp tìm kiếm sự sống trên hành tinh khác

Phát minh mới có thể tạo ra một sự bùng nổ trong ngành thiết bị công nghệ như chụp phim trong bệnh viện, máy quét an ninh tại sân bay, hay thậm chí tìm kiếm sự sống trên hành tinh khác.

Lần đầu tiên, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kim cương để tạo ra maser (khuếch đại sóng vi ba bằng phát xạ kích thích) ở trạng thái rắn và có thể hoạt động liên tục trong nhiệt độ phòng.

Maser giống như phiên bản sóng vi ba của laser. Trong khi tia laze phát ra tia sáng có cường độ mạnh thì maser phát ra tia vi ba tập trung. Maser được phát minh ra trước laser, và đã được ứng dụng trong nhiều thứ như đồng hồ nguyên tử, kính viễn vọng vô tuyến, và truyền thông trên tàu vũ trụ.

Tuy nhiên, không hề dễ dàng để tạo ra maser ở trạng thái rắn. Các nhà khoa học thiết lập chúng bằng cách khuếch đại các tia vi ba qua một tinh thể, chẳng hạn như ruby. Chúng cũng đòi hỏi các điều kiện đặc biệt như từ trường mạnh và nhiệt độ gần độ 0 tuyệt đối (-273 độ C). Công nghệ hiện tại của chúng ta rất hạn chế để có thể ứng dụng và tạo ra maser trạng thái rắn.

Viên kim cương có thể hoạt động trong nhiệt độ phòng. (Ảnh: ICL).

Và để khắc phục điều này, các nhà nghiên cứu ở Trường đại học Hoàng gia London (ICL) và Trường đại học London đã sử dụng một viên kim cương được phát triển trong phòng thí nghiệm làm tinh thể khuếch đại. Nhờ đó, lần đầu tiên họ đã tạo ra maser ở trạng thái rắn có thể hoạt động liên tục.

Dự án này được xây dựng dựa trên nghiên cứu của ICL và Phòng Thí nghiệm Vật lý Quốc gia Anh năm 2012. Lúc đó, các nhà nghiên cứu đã tạo ra maser ở trạng thái rắn bằng cách sử dụng tinh thể p-Terphenyl pha tạp với chất bán dẫn hữu cơ pentacene - chúng đóng vai trò là bộ khuyếch đại. Maser này có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng và không cần sử dụng nam châm. Nhưng chúng chỉ chạy được trong vài mili giây ngủi - thậm chí nếu nó có thể hoạt động liên tục thì tinh thể cũng sẽ tan chảy.

Với hệ thống mới này, các nhà nghiên cứu đã thay thế tinh thể cũ bằng một viên kim cương tổng hợp được phát triển trong điều kiện giàu nitơ. Một chùm electron năng lượng cao được sử dụng để "đá" các nguyên tử cacbon ra khỏi viên kim cương, tạo ra các khoảng trống trong cấu trúc lưới của nó.

Các nhà nghiên cứu làm nóng viên kim cương sau đó tạo ra các khoảng trống carbon để liên kết với các nguyên tử nitơ. Từ đó, chúng tạo ra một trung tâm khuyết-nitơ, các electron quay tròn có thể được kiểm soát bằng từ trường, điện trường hoặc tia vi ba bên trong trung tâm này.

Khi được đặt bên trong một vòng làm bằng saphia để tập trung năng lượng vi ba và chiếu sáng bằng laser xanh, các nhà khoa học nhận thấy maser hoạt động hiệu quả. Chúng không những vận hành được ở nhiệt độ phòng, mà còn có thể chạy liên tục.

Maser được chiếu sáng bởi ánh sáng laser xanh. (Ảnh: ICL).

Nhà nghiên cứu Neil Alford - đồng tác giả của nghiên cứu ở Trường đại học Hoàng gia London, cho biết: "Công nghệ này có thể có nhiều ứng dụng, nhưng con đường rõ ràng nhất mà tôi thấy ở đây là nó rất hữu hiệu để sử dụng ở những lĩnh vực mà cần phát hiện các tia vi ba nhạy".

Ngoài dùng trong việc chụp phim và các máy quét ở sân bay, các nhà nghiên cứu tin rằng công nghệ maser có thể được sử dụng cho các ứng dụng nhạy cảm khác như phát hiện bom, máy tính lượng tử, và thậm chí là tìm kiếm sự sống trên các hành tinh khác.

Nhà nghiên cứu hàng đầu Jonathan Breeze cho biết: "Bước đột phá này mở đường cho việc sử dụng maser rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và chúng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các thiết bị để khám phá những thứ mà xã hội đang quan tâm".

Bài nghiên cứu mô tả về maser đã được xuất bản trên tạp chí Nature.