Phát minh mới có thể giúp máy tính và điện thoại của bạn "nhanh hơn 1000 lần"

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northeastern đã tìm ra cách điều khiển hành vi của một vật liệu lượng tử – chuyển đổi nó giữa trạng thái dẫn điện và cách điện – bằng phương pháp "dập nhiệt" (thermal quenching), bao gồm việc làm nóng và làm lạnh vật liệu một cách có kiểm soát. Đột phá này có thể dẫn đến các thiết bị điện tử nhanh hơn gấp 1000 lần so với thiết bị dựa trên silicon ngày nay.

Vật liệu được nghiên cứu là 1T-TaS₂, một tinh thể thuộc nhóm dichalcogenide kim loại chuyển tiếp. Thông thường, loại vật liệu này chỉ thể hiện trạng thái kim loại đặc biệt ở nhiệt độ cực thấp, khiến nó khó ứng dụng trong các thiết bị hàng ngày. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã khám phá ra cách giữ trạng thái này ổn định ở nhiệt độ cao hơn nhiều, gần bằng nhiệt độ phòng, và duy trì nó trong nhiều tháng. Đây là bước tiến lớn, vì các nỗ lực trước đây chỉ duy trì được trong vài phần nhỏ của giây.

Giáo sư Alberto de la Torre, trợ lý giáo sư vật lý và tác giả chính của nghiên cứu, giải thích: "Hiện tại, bộ xử lý hoạt động ở mức gigahertz. Tốc độ thay đổi mà công nghệ này cho phép sẽ đưa chúng ta lên tới terahertz."

Để đạt được điều này, các nhà nghiên cứu đã dùng ánh sáng để kích hoạt thay đổi trong vật liệu. Họ phát hiện ra rằng bằng cách kết hợp các kiểu sóng mật độ điện tích (Charge Density Wave - CDW) khác nhau – các cách sắp xếp của electron – họ có thể ổn định một trạng thái CDW kim loại ẩn. Trạng thái này trước đây chỉ xuất hiện ở nhiệt độ cực thấp (cryogenic) và chưa được hiểu rõ. Giờ đây, các nhà khoa học đã chứng minh nó có thể tồn tại ở nhiệt độ lên tới 210 K (−63°C), một mức nhiệt thực tế hơn nhiều.

Họ sử dụng các công cụ tiên tiến như ánh xạ tia X và phổ kính hiển vi quét chui hầm (STM) để nghiên cứu vật liệu. Những công cụ này tiết lộ rằng các vùng kim loại và cách điện bên trong vật liệu có các mẫu đối xứng gương khác nhau và thậm chí khiến ô mạng cơ sở (unit cell) – khối xây dựng cơ bản của tinh thể – tăng gấp ba kích thước theo một hướng. Mặc dù tồn tại các vùng kim loại và một mật độ trạng thái đo được, về tổng thể vật liệu vẫn hoạt động như một chất cách điện do cách các lớp CDW xếp chồng lên nhau.

Giáo sư Gregory Fiete, Khoa Vật lý Đại học Northeastern, nhấn mạnh: "Bất kỳ ai từng sử dụng máy tính đều đã có lúc ước gì thứ gì đó tải nhanh hơn. Không gì nhanh hơn ánh sáng, và chúng tôi đang sử dụng ánh sáng để thao túng các tính chất vật liệu về cơ bản ở tốc độ nhanh nhất mà vật lý cho phép."

Loại kiểm soát này tương tự cách hoạt động của transistor, nhưng thay vì cần nhiều vật liệu riêng biệt và các giao diện phức tạp, giờ đây các nhà nghiên cứu có thể chỉ sử dụng một vật liệu duy nhất và điều khiển nó bằng ánh sáng. Điều này có thể giúp các thiết bị tương lai đơn giản và hiệu quả hơn.

Giáo sư Fiete nói thêm: "Chúng tôi loại bỏ một trong những thách thức kỹ thuật bằng cách gộp tất cả vào một vật liệu. Và chúng tôi thay thế giao diện bằng ánh sáng trong một phạm vi nhiệt độ rộng hơn."

Khám phá này cũng mở ra những khả năng mới cho việc thiết kế điện tử vượt xa những gì silicon có thể cung cấp. Khi chip ngày càng dày đặc và các kỹ sư bắt đầu xếp chồng chúng theo chiều 3D, nhu cầu về các vật liệu mới có thể làm được nhiều hơn trong không gian nhỏ hơn ngày càng lớn.

Giáo sư Fiete đặt vấn đề: "Một trong những bài toán hóc búa lớn là: làm thế nào để bạn kiểm soát tính chất vật liệu theo ý muốn? Mục tiêu chúng tôi nhắm tới là mức độ kiểm soát cao nhất đối với tính chất vật liệu. Chúng tôi muốn nó làm điều gì đó rất nhanh, với kết quả rất xác định, bởi vì đó chính là thứ có thể được khai thác trong một thiết bị."

Nhân loại đang ở thời điểm mà để đạt được những cải tiến đáng kinh ngạc trong lưu trữ thông tin hay tốc độ vận hành, chúng ta cần một mô hình mới. Máy tính lượng tử là một lối đi để giải quyết vấn đề này, và một lối đi khác là đổi mới trong vật liệu.