Tìm ra vật liệu lượng tử giúp máy tính, điện thoại nhanh hơn 1000 lần

Lợi dụng ánh sáng tăng tốc độ chip

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northeastern ở Mỹ vừa công bố một phát hiện mang tính đột phá giúp máy tính và điện thoại có thể hoạt động với tốc độ nhanh gấp 1000 lần so với công nghệ chip silicon hiện nay.

Bước tiến này đến từ việc kiểm soát vật liệu lượng tử thông qua một phương pháp có tên làm nguội nhiệt.

Vật liệu được nhóm nghiên cứu lựa chọn là 1T-TaS₂, một loại vật liệu lượng tử đặc biệt có thể chuyển đổi linh hoạt giữa hai trạng thái: dẫn điện như kim loại hoặc cách điện như chất bán dẫn.

Trước đây, trạng thái dẫn điện chỉ xuất hiện ở nhiệt độ cực thấp và tồn tại trong vài phần giây. Điều này khiến nó gần như không thể ứng dụng trong các thiết bị điện tử hàng ngày.

Nhóm nghiên cứu đã tìm ra cách duy trì trạng thái kim loại ổn định của vật liệu này ở nhiệt độ gần phòng và kéo dài trong nhiều tháng.

Họ thực hiện điều đó bằng cách nung nóng vật liệu và làm nguội nhanh ở tốc độ khoảng 120 Kelvin mỗi giây. Phương pháp này giúp vật liệu vượt qua ngưỡng chuyển pha, tạo ra trạng thái pha hỗn hợp giữa dẫn điện và cách điện.

Các nhà khoa học cũng sử dụng ánh sáng để kích hoạt sự chuyển đổi này. Khi được chiếu sáng, vật liệu phản ứng gần như ngay lập tức và thay đổi cấu trúc sóng mật độ điện tích nội tại. Những thay đổi này giữ cho trạng thái kim loại tiếp tục tồn tại ổn định trong điều kiện nhiệt độ có thể kiểm soát được.

Giáo sư Gregory Fiete, chuyên gia vật lý tại Đại học Northeastern cho biết, nhóm đang kiểm soát đặc tính vật liệu với tốc độ nhanh nhất mà vật lý cho phép.

Ông nhấn mạnh việc sử dụng ánh sáng thay cho nhiều lớp vật liệu như trong bóng bán dẫn silicon truyền thống giúp đơn giản hóa cấu trúc vi mạch và mở ra khả năng thiết kế các thiết bị điện tử thế hệ mới.

Giới hạn nào cho chip?

Trong các thiết bị hiện nay, chip xử lý hoạt động ở tần số gigahertz. Với phát hiện này, các nhà nghiên cứu kỳ vọng có thể đạt đến tần số terahertz, tức nhanh gấp 1000 lần.

Khả năng này đặc biệt quan trọng khi dữ liệu ngày càng lớn và yêu cầu xử lý thời gian thực trong các ứng dụng như trí tuệ nhân tạo, thực tế ảo, tính toán lượng tử và mô phỏng khoa học.

Nghiên cứu cũng cho thấy khi chiếu ánh sáng vào vật liệu tại những tần số nhất định, các sóng dao động của mạng tinh thể thay đổi theo cách tương ứng.

Ví dụ, dao động ở tần số 2,5 terahertz phản ánh sự thay đổi trong biên độ sóng mật độ điện tích, còn dao động 1,3 terahertz gắn với sự trượt lớp vật liệu ở quy mô nguyên tử.

Nhóm tác giả công bố kết quả trên tạp chí Nature Physics và gọi trạng thái dẫn điện này là trạng thái kim loại ẩn. Trong trạng thái đó, vật liệu trông có vẻ như đang cách điện nhưng thực chất lại cho phép dòng electron di chuyển ở tốc độ cao nhờ sự kết hợp của các vùng dẫn điện nhỏ phân bố bên trong cấu trúc vật liệu.

Nhà nghiên cứu Alberto de la Torre, người dẫn đầu nhóm, cho biết phương pháp quenching nhiệt cho phép điều khiển tức thì khả năng dẫn điện của vật liệu bằng cách thay đổi môi trường chiếu sáng.

Ông nhấn mạnh tính lập trình của trạng thái này tạo tiền đề cho việc chế tạo các thiết bị điện tử có thể lưu trữ và xử lý dữ liệu ngay bên trong cùng một vật liệu.

Ngoài ra, một số nghiên cứu liên quan cũng ghi nhận khả năng điều chỉnh trạng thái vật liệu thông qua các buồng cộng hưởng terahertz.

Khi thay đổi cấu trúc quang học bên ngoài, vật liệu phản ứng với trường điện từ và thay đổi pha một cách có kiểm soát. Hiệu ứng này tương tự nguyên lý tăng cường cộng hưởng ánh sáng trong các thiết bị laser nhưng được áp dụng cho vật liệu dẫn điện ở cấp độ nguyên tử.

Với việc loại bỏ nhiều giao diện vật liệu và chỉ sử dụng một chất duy nhất được điều khiển bằng ánh sáng, nhóm nghiên cứu đã mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp vi điện tử.