Transistor quang đơn phân tử nhỏ nhất thế giới

Kể từ khi laser xuất hiện lần đầu tiên cách đây gần 50 năm, các nhà khoa học và kỹ thuật đã mơ về khả năng tạo ra một mạch hoàn toàn quang học mà ở đó các điện tử được thay thế bởi các photon.

Trong khi thông tin rất dễ dàng truyền dẫn bằng ánh sáng trong các sợi cáp quang thì việc đảo và xử lý thông tin quang còn tương đối phức tạp trong việc chuyển đổi từ photon sang electron và ngược lại: chậm và tiêu tốn khá nhiều năng lượng.

Trên thực tế thì còn một khoảng cách khá xa để đến với các mạch photonic trong các máy tính hay các ứng dụng thông thường hàng ngày khác bởi vì các mạch này đòi hỏi phải được thao tác ở không gian kích thước nanomet dẫn đến khá nhiều khó khăn. Hơn nữa các bộ khóa chùm tia, cho phép năng lượng từ một chùm khuếch đại chùm khác, thường đòi hỏi các tinh thể photonic lớn. 

Mới đây, Vahid Sandoghdar cùng các đồng nghiệp ở Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ, Zurich (ETH Zurich) đã tạo ra thứ mà họ gọi là transistor quang nhỏ nhất thế giới chỉ từ một đơn phân tử chất nhuộm màu (dye molecular). Linh kiện hoạt động nhờ việc làm yếu đi hoặc khuếch đại một “cực nguồn” tia laser phụ thuộc vào công suất của của chùm tia ở cổng “gate”, có thể giúp cho việc tạo ra một mạch toàn quang hay xa hơn là các máy điện toán quang học ở một bước tiếp cận gần hơn.

Hoạt động đơn giản.

“Bằng cách điều khiển các bậc suy giảm và khuếch đại thông qua công suất của chùm laser ở cực gate, chúng tôi đã biểu diễn một transistor nhỏ nhất cho đến hiện tại” – Sandoghdar nói. Nguyên lý hoạt động của linh kiện khá đơn giản – theo lời của Sandoghdar: Khi phân tử được đặt trong trạng thái kích thích bởi chùm tia laser ở cực cổng, nó sẽ phát xạ ra một photon và do đó khuếch đại công suất của chùm tia cực nguồn.

Chìa khóa then chốt để tạo transistor quang này là hội tụ chùm sáng vào một đơn phân tử ở nhiệt độ thấp, tạo ra một liên kết phân tử nhẹ rất mạnh cho phép phân tử gây ảnh hưởng lên ánh sáng laser. Mặc dù liên kết mạnh đã được tạo ra trước đó nhưng nó chỉ được tiến hành trong các hốc quang học mà ở đó các tương tác có thể được tăng cường. Tuy nhiên, thậm chí các hốc quang học nhỏ nhất lớn còn lớn hơn kích thước một micromet, có nghĩa là các linh kiện kia không thể được tạo ra nhỏ hơn so với linh kiện này. 

Hình 2. Một số kết quả của thí nghiệm: a) phổ truyền qua của tia đầu dò cho đơn phân tử ở trạng thái cơ bản (pump off), b) Kết quả ở trạng thái đảo mật độ tích lũy (Nature 460 (2009) 76).

Đóng gói mật độ cao.

Ngược lại, các thí nghiệm của nhóm ETH Zurich có thể dẫn đến việc đóng gói mật độ cao các transistor quang kích cỡ nanomet. Các tính toán lý thuyết của nhóm cũng đã chỉ ra rằng có khả năng xây dựng cách mạch phức tạp mà ở đó nhiều bộ phát (emitters) có thể liên kết với các ống dẫn sóng siêu nhỏ có thể mang thông tin quang trên một con chip.

“Và mặc dù thí nghiệm được tiến hành với các chùm tia laser truyền thống, nhưng nó cũng có thể làm việc với các chùm tia sáng phi truyền thống ở mức độ đơn photon” – Sandoghdar giải thích – “Có nghĩa là thông tin lượng tử có thể được xử lý”.

Xem chi tiết công trình này trên Nature 460 (2009) 76.