Dũng Đỗ
Topaz
Các thiết bị điện tử trong tương lai, từ smartphone đến máy tính, có thể sẽ hoạt động nhanh hơn tới 1.000 lần nhờ vào một đột phá mới trong lĩnh vực vật liệu lượng tử. Các nhà khoa học vừa tìm ra một phương pháp sử dụng ánh sáng để chuyển đổi trạng thái của một vật liệu đặc biệt, cho phép nó vừa có thể dẫn điện, vừa có thể cách điện theo ý muốn.
Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí uy tín Nature Physics, các nhà khoa học đã tìm ra cách để kiểm soát các đặc tính của một vật liệu lượng tử có tên là 1T-TaS₂. Kỹ thuật mà họ sử dụng được gọi là "làm nguội nhiệt" (thermal quenching).
Quy trình này bao gồm việc chiếu một chùm ánh sáng laser lên vật liệu. Năng lượng từ ánh sáng sẽ kích hoạt các đặc tính lượng tử độc đáo của 1T-TaS₂, khiến nó nóng lên và nhanh chóng chuyển từ trạng thái cách điện sang trạng thái dẫn điện kim loại. Ngược lại, khi ánh sáng được tắt đi, vật liệu sẽ nguội đi và quay trở lại trạng thái cách điện ban đầu.
Về bản chất, khả năng chuyển đổi qua lại giữa hai trạng thái "bật" (dẫn điện) và "tắt" (cách điện) này chính là nguyên lý hoạt động cơ bản của một chiếc bóng bán dẫn (transistor), vốn là thành phần cốt lõi của mọi thiết bị điện tử hiện đại.
Trước đây, các nhà khoa học cũng đã từng kích hoạt được trạng thái "kim loại ẩn" này của 1T-TaS₂, nhưng nó có hai hạn chế lớn. Thứ nhất, nó chỉ có thể đạt được ở những mức nhiệt độ cực kỳ lạnh. Thứ hai, trạng thái dẫn điện này chỉ kéo dài chưa đầy một giây.
Nghiên cứu mới của nhóm do nhà vật lý Alberto de la Torre tại Đại học Northeastern dẫn đầu đã vượt qua được cả hai rào cản này. Họ đã chứng minh rằng đặc tính dẫn điện có thể được kích hoạt ở những nhiệt độ thực tế hơn (khoảng -73°C). Quan trọng hơn, bằng phương pháp mới, vật liệu 1T-TaS₂ có thể duy trì trạng thái dẫn điện này trong nhiều tháng liên tục.
Đột phá này mở ra những tiềm năng to lớn cho ngành công nghiệp điện tử. Việc có thể điều khiển trạng thái của vật liệu bằng ánh sáng cho phép quá trình chuyển đổi diễn ra với tốc độ cực nhanh. Điều này có thể giúp các bộ xử lý trong tương lai hoạt động ở tần số terahertz (THz), trong khi các bộ xử lý hiện nay chỉ hoạt động ở tần số gigahertz (GHz). Về mặt lý thuyết, đây là một sự gia tăng tốc độ lên tới 1.000 lần.
Bên cạnh đó, do một vật liệu duy nhất giờ đây có thể đóng vai trò của cả chất dẫn điện và chất cách điện, nó có thể thay thế cho nhiều thành phần silicon phức tạp. Điều này có nghĩa là các thiết bị điện tử trong tương lai có thể thực hiện các tác vụ tương tự nhưng trong một không gian nhỏ hơn rất nhiều.
Nghiên cứu này được xem là một bước tiến quan trọng, mang lại cho các kỹ sư khả năng kiểm soát tức thời các đặc tính của vật liệu, mở đường cho một thế hệ thiết bị điện tử mới nhanh hơn, nhỏ hơn và hiệu quả hơn.
1T-TaS₂ và phương pháp "làm nguội nhiệt"
Trong một nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí uy tín Nature Physics, các nhà khoa học đã tìm ra cách để kiểm soát các đặc tính của một vật liệu lượng tử có tên là 1T-TaS₂. Kỹ thuật mà họ sử dụng được gọi là "làm nguội nhiệt" (thermal quenching).
Quy trình này bao gồm việc chiếu một chùm ánh sáng laser lên vật liệu. Năng lượng từ ánh sáng sẽ kích hoạt các đặc tính lượng tử độc đáo của 1T-TaS₂, khiến nó nóng lên và nhanh chóng chuyển từ trạng thái cách điện sang trạng thái dẫn điện kim loại. Ngược lại, khi ánh sáng được tắt đi, vật liệu sẽ nguội đi và quay trở lại trạng thái cách điện ban đầu.
Về bản chất, khả năng chuyển đổi qua lại giữa hai trạng thái "bật" (dẫn điện) và "tắt" (cách điện) này chính là nguyên lý hoạt động cơ bản của một chiếc bóng bán dẫn (transistor), vốn là thành phần cốt lõi của mọi thiết bị điện tử hiện đại.
Bước đột phá: Trạng thái bền vững ở nhiệt độ thực tế hơn
Trước đây, các nhà khoa học cũng đã từng kích hoạt được trạng thái "kim loại ẩn" này của 1T-TaS₂, nhưng nó có hai hạn chế lớn. Thứ nhất, nó chỉ có thể đạt được ở những mức nhiệt độ cực kỳ lạnh. Thứ hai, trạng thái dẫn điện này chỉ kéo dài chưa đầy một giây.
Nghiên cứu mới của nhóm do nhà vật lý Alberto de la Torre tại Đại học Northeastern dẫn đầu đã vượt qua được cả hai rào cản này. Họ đã chứng minh rằng đặc tính dẫn điện có thể được kích hoạt ở những nhiệt độ thực tế hơn (khoảng -73°C). Quan trọng hơn, bằng phương pháp mới, vật liệu 1T-TaS₂ có thể duy trì trạng thái dẫn điện này trong nhiều tháng liên tục.
Tương lai của điện toán terahertz và các thiết bị siêu nhỏ
Đột phá này mở ra những tiềm năng to lớn cho ngành công nghiệp điện tử. Việc có thể điều khiển trạng thái của vật liệu bằng ánh sáng cho phép quá trình chuyển đổi diễn ra với tốc độ cực nhanh. Điều này có thể giúp các bộ xử lý trong tương lai hoạt động ở tần số terahertz (THz), trong khi các bộ xử lý hiện nay chỉ hoạt động ở tần số gigahertz (GHz). Về mặt lý thuyết, đây là một sự gia tăng tốc độ lên tới 1.000 lần.
Bên cạnh đó, do một vật liệu duy nhất giờ đây có thể đóng vai trò của cả chất dẫn điện và chất cách điện, nó có thể thay thế cho nhiều thành phần silicon phức tạp. Điều này có nghĩa là các thiết bị điện tử trong tương lai có thể thực hiện các tác vụ tương tự nhưng trong một không gian nhỏ hơn rất nhiều.
Nghiên cứu này được xem là một bước tiến quan trọng, mang lại cho các kỹ sư khả năng kiểm soát tức thời các đặc tính của vật liệu, mở đường cho một thế hệ thiết bị điện tử mới nhanh hơn, nhỏ hơn và hiệu quả hơn.