Nhân kỷ niệm 100 năm cơ học lượng tử hiện đại, Ủy ban Nobel đã trao giải vật lý danh giá nhất năm cho một thí nghiệm chứng minh cách các hiệu ứng lượng tử diễn ra ở quy mô lớn - bao gồm cả bên trong smartphone của bạn.

Thực tế, ý nghĩa của người chiến thắng năm nay - hiệu ứng đường hầm lượng tử - trải dài xa hơn nhiều so với thiết bị trong túi bạn. John Clarke, Michel Devoret và John Martinis đã tiến hành các thí nghiệm ban đầu vào năm 1984 và 1985, nhưng công trình của họ đã có tác động lâu dài, trở thành "nền tảng của mọi công nghệ số," Olle Eriksson, Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý, cho biết trong một tuyên bố.

Nhưng hiệu ứng đường hầm lượng tử là gì, và nó đã đưa lĩnh vực vật lý kỳ lạ này vào các thiết bị hàng ngày của chúng ta như thế nào? Hãy đọc tiếp để khám phá tại sao đặc tính kỳ lạ của lượng tử này lại quan trọng đến vậy.

Hiệu ứng đường hầm lượng tử - những điều cơ bản

Hãy tưởng tượng bạn ném một quả bóng tennis vào tường. Hàng thiên niên kỷ quan sát khoa học và kinh nghiệm thực tế dạy chúng ta rằng quả bóng có thể sẽ đập vào tường và nảy trở lại. Tuy nhiên, trong thế giới lượng tử, điều đó không phải lúc nào cũng xảy ra. Ở đó, quả bóng có thể đi thẳng xuyên qua bức tường và xuất hiện ở phía bên kia - một hiện tượng được gọi là "đường hầm."

Kích thước là một khái niệm phức tạp trong cơ học lượng tử, nhưng nói một cách đơn giản, quy mô "vi mô" trong bối cảnh này thường đề cập đến quy mô của một hạt đơn lẻ. Ngược lại, "vĩ mô" đề cập đến một số lượng lớn các hạt.

Các hiệu ứng cơ học lượng tử dường như mờ dần ở quy mô vĩ mô, do đó tại sao một quả bóng tennis - bao gồm vô số hạt - thường không đi xuyên qua tường.

Nhưng thí nghiệm đoạt giải Nobel đã tạo ra một mạch siêu dẫn cực kỳ tinh vi cho phép các electron bên trong di chuyển qua hệ thống như thể chúng là một hạt đơn lẻ, lấp đầy toàn bộ mạch. Các electron trong hệ thống đã đi đường hầm qua một lớp vật liệu không dẫn điện mỏng - và do đó, mạch mà các nhà nghiên cứu mô tả là "đủ lớn để có thể chạm tay vào," là một minh chứng vĩ mô cho một hiện tượng vi mô, hay lượng tử.

Lượng tử trong smartphone của bạn

Để rõ ràng, các thiết bị siêu dẫn vẫn chưa có mặt. Nhưng chip trong điện thoại của bạn, mặc dù là bán dẫn chứ không phải siêu dẫn, vẫn sử dụng các bài học từ thí nghiệm đường hầm để hoạt động. Cũng như các transistor, thí nghiệm hạt nhân và tất nhiên là máy tính lượng tử.

Hiệu ứng đường hầm đã dạy các kỹ sư cách năng lượng rò rỉ từ tích hợp quy mô rất lớn, quy trình mà chúng ta có được các transistor và chip bán dẫn phức tạp. Cụ thể, hiệu ứng đường hầm đại diện cho một "giới hạn vật lý" cho kích thước tối thiểu của một tính năng trên chip.

Các nhà khoa học cũng đã áp dụng các nguyên lý từ hiệu ứng đường hầm lượng tử để tạo ra pin mặt trời thế hệ tiếp theo, trong khi kính hiển vi đường hầm quét - công cụ quan trọng trong một số đột phá vật lý - cũng được xây dựng dựa trên khái niệm hiệu ứng đường hầm lượng tử.

Hiệu ứng đường hầm cũng được coi là một phần quan trọng của bất kỳ thí nghiệm nhiệt hạch hạt nhân nào. Để các phản ứng nhiệt hạch thành công, các hạt riêng lẻ cần vượt qua xu hướng tự nhiên đẩy lùi nhau - bằng cách khai thác hiệu ứng đường hầm, các nhà vật lý đã có thể tìm ra một số cách linh hoạt để vượt qua.

Không phải tất cả các ứng dụng này đều rõ ràng ngay lập tức. Clarke, một trong những người chiến thắng vật lý năm nay, thừa nhận trong cuộc họp báo hôm thứ Ba rằng anh "hoàn toàn sửng sốt," vì "không bao giờ nghĩ đến việc này có thể là cơ sở cho giải Nobel."

Tuy nhiên, không có nghi ngờ gì rằng công trình đoạt giải Nobel này hoàn hảo chứng minh sự hiện diện đáng chú ý của cơ học lượng tử trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta - đúng lúc cho Năm Quốc tế Lượng tử!

Để trích dẫn Chủ tịch Ủy ban Vật lý Nobel Eriksson: "Thật tuyệt vời khi có thể kỷ niệm cách mà cơ học lượng tử hàng trăm năm tuổi liên tục mang lại những bất ngờ mới. Nó cũng cực kỳ hữu ích."