Trong lĩnh vực công nghệ lượng tử, máy gia tốc được ứng dụng mạnh mẽ từ hơn 10 năm trở lại đây nhằm biến đổi và mô tả đặc tính vật liệu. Các kỹ thuật dựa trên máy gia tốc sử dụng ion năng lượng cao để thay đổi cấu trúc nguyên tử trong vật liệu, cho phép các nhà khoa học kiểm soát hành vi của các nguyên tử đơn lẻ. Sử dụng máy gia tốc trong việc cấy ion là kỹ thuật đã được phát triển rộng rãi trong ngành công nghiệp bán dẫn và đã tồn tại trong nhiều thập kỷ qua.
PGS. Andrew Bettiol, Đại học Quốc gia Singapore, giải thích: Đối với chất bán dẫn, cần cấy lượng lớn ion để thay đổi tính chất điện của silicon. Đối với công nghệ lượng tử, mục tiêu đặt ra ưu tiên là kiểm soát các ion đơn lẻ, không cần cấy hàng triệu hay hàng tỷ ion mà chỉ cần cấy ghép chính xác một ion. Kỹ thuật tạo cảm biến sinh học lượng tử này có thể được áp dụng để mô tả hoặc đo lường các quá trình hoạt động ở cấp độ tế bào và có từ trường rất nhỏ, chẳng hạn như từ trường được tạo ra khi tế bào thần kinh hoạt động trong não của con người.
Kỹ thuật hạt nhân thúc đẩy sự phát triển và tối ưu hóa nền tảng cảm biến sinh học, cho phép khám phá các cơ chế tế bào con (Ảnh: Adobe Stock)
Thách thức lớn nhất trong việc cấy một ion là xác định thời điểm cấy và vị trí cấy bởi vì cấy ion vào vật liệu, không có nghĩa là nó hoạt động theo yêu cầu như một qubit hoặc trung tâm “màu”. Qubit, hay bit lượng tử, là phiên bản phức tạp của các bit mang thông tin được sử dụng trong máy tính thông thường và các trung tâm “màu” là các khuyết điểm phát ra ánh sáng cảm nhận lượng tử.
Aliz Simon, nhà vật lý hạt nhân làm việc tại cơ sở máy gia tốc của IAEA cho biết: IAEA đang tiếp tục nỗ lực phối hợp nghiên cứu để khám phá toàn bộ lợi ích của lượng tử. IAEA cũng sẽ khởi động dự án về lượng tử vào cuối năm 2022 nhằm sẽ thúc đẩy sự phát triển và tối ưu hóa nền tảng cảm biến sinh học dựa trên các trung tâm “màu” trong kim cương, cho phép khám phá các cơ chế tế bào con. Trong trường lượng tử, kim cương được sử dụng làm chất bán dẫn để cảm nhận điện trường và từ trường trong các tế bào sống đơn lẻ.
Trung tâm “màu” cảm nhận lượng tử
Kim cương là vật liệu ở dạng tinh khiết nhất, gồm một mạng tinh thể các nguyên tử cacbon với hơn 500 khuyết điểm được ghi nhận phát ra ánh sáng. Một trong những khuyết điểm đã biết là trung tâm màu nitơ-trống (NV). Tâm màu NV xảy ra khi một nguyên tử cacbon bị bật ra tạo chỗ trống và nguyên tử cacbon lân cận được thay thế bằng nguyên tử nitơ. Các trung tâm “màu” NV có thể xảy ra một cách tự nhiên và được phân bố ngẫu nhiên nhưng với máy gia tốc, các nhà khoa học có thể tạo ra khiếm khuyết này bằng cách cấy ion và tạo những vùng cụ thể bên trong các tinh thể kim cương ở quy mô nano. Trong số các khuyết điểm đã biết của kim cương, tâm NV được nhúng vào các tinh thể kim cương quy mô nano và có thể được kiểm soát ở nhiệt độ phòng, tương thích sinh học – không gây hại hoặc độc hại cho các hệ thống sự sống.
Các trung tâm NV có khả năng cảm nhận từ trường thông qua một kỹ thuật được gọi là cộng hưởng từ phát quang học, hoặc ODMR. Khả năng tạo hình ảnh từ trường có ý nghĩa trong cả sinh học và khoa học vật liệu. Kỹ thuật đó là kỹ thuật quang học để xem xét sự phát xạ ánh sáng và phát hiện các từ trường rất nhỏ xảy ra trong các quá trình sinh học. Kỹ thuật cảm biến sinh học lượng tử này có thể được áp dụng để mô tả hoặc đo lường các quá trình hoạt động ở cấp độ tế bào và có từ trường rất nhỏ.
Nghiên cứu hiện tại của các nhà khoa học áp dụng kỹ thuật ODMR là để phát hiện bệnh sốt rét. Các tế bào hồng cầu bị nhiễm bệnh sốt rét có các hạt từ tính nhỏ có thể được phát hiện bằng ODMR và bất cứ thứ gì tạo ra trường điện từ đều có thể được phát hiện bằng phương pháp ODMR.
Từ khóa: ODMR; máy gia tốc; cảm biến sinh học; lượng tử; cấy ion;
– CMD&DND –
