Các nhà nghiên cứu của Duke University vừa làm cho tốc độ phát quang của các phân tử huỳnh quang tăng gấp 1000 lần so với bình thường, lập kỷ lục về tốc độ và tiến một bước quan trọng theo hướng hiện thực hóa các LED siêu nhanh và mật mã lượng tử.

Giải Nobel năm nay về Vật lý đã được trao cho việc khám phá cách chế tạo LED xanh dương. Việc tạo ra các LED xanh dương cho phép chế tạo từ các bóng đèn tiết kiệm năng lượng đến các màn hình. Trong khi khám phá này đã có ảnh hưởng lớn đến việc chiếu sáng và hiển thị hình ảnh thì tốc độ chậm chạp mà các LED có thể sáng lên hoặc tắt đi đã hạn chế các ứng dụng của chúng như là các nguồn sáng trong viễn thông bằng ánh sáng (light-based telecommunication).

Trong một LED, các nguyên tử có thể bị cưỡng bức để phát ra khoảng 10 triệu photon trong một nháy mắt. Tuy nhiên, các hệ viễn thông hiện đại lại hoạt động nhanh hơn cỡ 1000 lần. Để hiện thực hóa các hệ truyền thông bằng ánh sáng sử dụng LED trong tương lai, các nhà nghiên cứu cần phải tạo ra các vật liệu có tốc độ phát quang tương ứng.

Trong một nghiên cứu mới đây, các kỹ sư của Duke University đã tăng tốc độ phát quang của các phân tử huỳnh quang đến mức kỷ lục bằng cách sắp xen kẽ các phân tử này giữa các khối lập phương kim loại cỡ na-nô và một lá vàng mỏng. Các kết quả nghiên cứu sẽ được công bố vào ngày 12/10 trên tạp chí Nature Photonics.

“Một trong những ứng dụng mà chúng tôi hướng đến trong nghiên cứu này là các LED cực nhanh”, Maiken Mikkelsen, một phó giáo sư về kỹ thuật điện – máy tính và vật lý tại Duke University, cho biết. “Có thể là các thiết bị trong tương lai không sử dụng chính xác cách tiếp cận này nhưng các nền tảng vật lý ở đây sẽ rất thiết yếu”.

Khi các phân tử huỳnh quang được đặt gần ánh sáng mạnh, các phân tử này phát ra các photon với một tốc độ cao hơn nhờ một hiệu ứng có tên là sự tăng cường Purcell. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện là họ có thể đạt được một tốc độ phát quang đáng kể khi đặt các phân tử huỳnh quang vào khe hở giữa các khối lập phương cỡ na-nô và một lá vàng mỏng.

Để đạt được hiệu ứng tốt hơn, nhóm của Mikkelsen đã tinh chỉnh tần số cộng hưởng của khe hở cho phù hợp với màu của ánh sáng mà các phân tử này phát ra. Họ dùng các mô phỏng máy tính để xác định chính xác kích cỡ của khe hở cần có giữa các khối lập phương và lá vàng để tối ưu hóa các thiết lập.

Khoảng trống này vào khoảng 20 lần độ rộng nguyên tử. Nhưng đó chưa phải là vấn đề đối với các nhà nghiên cứu. “Chúng tôi có thể chọn các khối lập phương với kích thước cần thiết và tạo ra các khe hở tùy ý với độ chính xác cỡ na-nô mét”, Gleb Akselrod, một nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Mikkelsen và là tác giả thứ nhất của công trình, cho biết. “Khi chúng tôi có kích cỡ của khối lập phương và khe hở hoàn hảo chuẩn cho phân tử, đó là lúc chúng tôi lập được kỷ lục nâng tốc độ phát quang lên 1000 lần”

“Nếu chúng tôi có thể đặt các phân tử một cách chính xác như thế thì chúng có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác hơn là LED nhanh” Akselrod nói. “Chúng tôi có thể tạo ra các nguồn phát đơn photon nhanh để dùng trong mật mã lượng tử. Công nghệ này có thể cho phép bảo vệ truyền thông không bị tấn công – chí ít là không phá vỡ các định luật vật lý”