Lần đầu tiên, các nhà khoa học khiến “dark exciton” phát sáng: Cường độ tăng 300.000 lần, mở ra khả năng mới cho truyền thông lượng tử và thiết bị quang tử.
Nhóm nghiên cứu chung giữa Đại học Thành phố New York (CUNY) và Đại học Texas tại Austin đã phát triển một phương pháp mới, lần đầu tiên khiến trạng thái lượng tử “dark exciton” vốn không thể nhìn thấy phát ra ánh sáng, đồng thời điều khiển được hướng phát xạ của nó với độ chính xác ở cấp độ nano. Kết quả nghiên cứu đã được công bố ngày 12/11 trên tạp chí Nature Photonics ( DOI: 10.1038/s41566-025-01788-w), mở đường cho các hệ thống truyền thông lượng tử và thiết bị quang tử nhanh hơn, nhỏ gọn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Dark exciton là một trạng thái quang–vật chất đặc biệt tồn tại trong các vật liệu bán dẫn siêu mỏng. Do phát xạ cực kỳ yếu, chúng thường rất khó quan sát. Tuy nhiên, nhờ các đặc tính tương tác quang học độc đáo, thời gian tồn tại dài và khả năng chống nhiễu môi trường (giúp giảm hiện tượng mất kết hợp lượng tử), dark exciton có giá trị quan trọng trong khoa học thông tin lượng tử và công nghệ quang tử thế hệ tiếp theo.

Để làm sáng tỏ những trạng thái quang học khó quan sát này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một cấu trúc khoang quang học nano gồm ống nano vàng và một lớp đơn WSe₂ (diselenide vonfram). Vật liệu này chỉ dày ba lớp nguyên tử. Cấu trúc mới giúp cường độ phát sáng của dark exciton tăng khoảng 300.000 lần, lần đầu tiên cho phép các nhà nghiên cứu quan sát rõ ràng và kiểm soát hành vi của chúng.

Giáo sư Andrea Alù, tác giả đứng đầu nghiên cứu, cho biết:

“Công trình này chứng minh rằng chúng ta có thể điều khiển được những trạng thái quang–vật chất vốn trước đây không thể tiếp cận. Việc bật/tắt các trạng thái ẩn này một cách tự do và điều khiển chúng với độ chính xác nano mở ra những cơ hội đầy hứa hẹn để thúc đẩy các công nghệ quang học và lượng tử thế hệ tiếp theo, bao gồm cảm biến và tính toán.”

Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh rằng trạng thái dark exciton có thể được điều chỉnh theo yêu cầu bằng trường điện từ, mang lại khả năng kiểm soát chính xác cho các ứng dụng trong quang tử tích hợp, cảm biến và truyền thông lượng tử. Khác với các phương pháp trước đây, kỹ thuật mới vừa đạt mức tăng cường kỷ lục về độ ghép nối quang–vật chất, vừa bảo toàn hoàn toàn các đặc tính tự nhiên của vật liệu.

Tác giả đầu tiên của bài báo, Jiamin Quan, cho biết:

“Chúng tôi lần đầu tiên quan sát được một dạng dark exciton tự do mới bị cấm bởi spin. Đây mới chỉ là bước khởi đầu trong hành trình khám phá nhiều trạng thái lượng tử ẩn khác trong vật liệu hai chiều.”

Phát hiện này cũng giải quyết tranh cãi kéo dài về việc liệu cấu trúc plasmon có thể tăng cường phát xạ của dark exciton mà không làm thay đổi bản chất của chúng hay không. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế thành công một cấu trúc dị thể plasmon–exciton có lớp kẹp nano bằng nitride boron, qua đó hé lộ một dạng dark exciton mới.