Các nhà khoa học tại Đại học công nghệ Vienna (TU Wien) đã chế tạo ra tụ điện được xem nhỏ nhất thế giới. Điều này không chỉ là thành tựu kỹ thuật chuyên biệt, mà còn có thể định hình lại tương lai các công cụ đo lường siêu chính xác, bao gồm cả kính hiển vi lực nguyên tử.

Nghiên cứu của họ cho thấy, các cấu trúc cơ học siêu nhỏ, có thể đạt được độ nhạy chỉ bị giới hạn bởi các định luật vật lý lượng tử. Điểm mấu chốt của bước đột phá này là một khe hở nhỏ đến kinh ngạc: chỉ 32 nanomet. Con số này mỏng hơn khoảng 3.000 lần so với sợi tóc người.

Khoảng không gian cực nhỏ này ngăn cách một màng nhôm di động với một điện cực cố định, cùng nhau tạo thành một tụ điện phẳng song song, nhỏ hơn bất kỳ tụ điện nào từng được chế tạo trước đây.

Thiết bị này nhỏ bé được thiết kế để phát hiện các chuyển động cực nhỏ, lý tưởng cho các cảm biến có độ phân giải cao. Công trình nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Advanced Materials Technologies.

Nhưng thành tựu này không chỉ đơn thuần là việc thu nhỏ các linh kiện. Nó là một phần trong nỗ lực lớn hơn của các nhà nghiên cứu tại TU Wien, nhằm làm cho cảm biến lượng tử trở nên thiết thực hơn, mạnh mẽ hơn và dễ tích hợp hơn vào các thiết bị thực tế.

Các hệ thống truyền thống đo chuyển động nhỏ thường dựa vào laser và các thiết lập quang học. Mặc dù chúng có thể rất chính xác, nhưng chúng cồng kềnh, dễ vỡ và khó chuyển đổi thành các thiết bị nhỏ gọn hoặc di động.

Nhóm nghiên cứu tại TU Wien áp dụng một phương pháp khác. Thay vì sử dụng ánh sáng, họ đo độ rung bằng cách sử dụng các dao động điện hoặc cơ học, có thể được tích hợp trực tiếp vào con chip.

Trong thiết kế tụ điện mới, màng nhôm rung nhẹ, tương tự như mặt trống. Dao động này làm thay đổi các đặc tính điện của mạch cộng hưởng được kết nối với tụ điện. Ngay cả chuyển động nhỏ nhất cũng gây ra sự thay đổi có thể phát hiện được trong tần số cộng hưởng của mạch.

Phương pháp này cho phép các nhà nghiên cứu đo được các dao động cực nhỏ với độ nhiễu rất thấp. Vấn đề nhiễu - các nhiễu loạn ngẫu nhiên từ nhiệt hoặc bản chất rời rạc của tín hiệu điện - thường giới hạn độ chính xác của phép đo.

Đáng chú ý, hệ thống của TU Wien hoạt động ở giới hạn cơ bản của vật lý lượng tử, mà không cần đến các thành phần quang học. Điều này làm cho nó đặc biệt hứa hẹn đối với kính hiển vi lực nguyên tử (AFM), kỹ thuật được sử dụng để chụp ảnh bề mặt từng nguyên tử một.

Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh, các hệ thống hoàn toàn cơ học có thể đạt kết quả tương tự. Từ góc độ lượng tử, dao động điện và cơ học tuân theo cùng một quy tắc toán học. Một lợi thế nữa là các hệ thống cơ học có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng, tránh được nhu cầu làm mát tốn kém ở nhiệt độ gần bằng độ 0 tuyệt đối.

Các nhà nghiên cứu tin rằng công trình của họ chứng minh rằng các thiết bị cơ khí nano sẵn sàng trở thành nền tảng của một thế hệ cảm biến lượng tử mới. Với tụ điện cực nhỏ này, họ mở ra hướng đi cho các công nghệ đo lường mạnh mẽ, có thể sớm chuyển từ phòng thí nghiệm chuyên dụng sang các công cụ khoa học hằng ngày.