Đột phá trong vật liệu lượng tử: hướng tới thiết bị điện tử nhanh gấp 1.000 lần

Trong bối cảnh công nghệ điện tử đang đối mặt với những giới hạn vật lý của chip silicon truyền thống, các nhà nghiên cứu tại Đại học Northeastern, Mỹ, đã công bố một phát hiện đột phá có thể thay đổi cục diện ngành công nghiệp vi điện tử. Bằng cách kiểm soát vật liệu lượng tử 1T-TaS₂ thông qua phương pháp làm nguội nhiệt nhanh chóng và sử dụng ánh sáng, họ đã mở ra khả năng làm cho máy tính và điện thoại hoạt động nhanh gấp 1.000 lần so với công nghệ hiện tại.

Phát hiện này không chỉ nâng cao tốc độ xử lý dữ liệu mà còn hứa hẹn giảm tiêu thụ năng lượng, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về xử lý thời gian thực trong các lĩnh vực như trí tuệ nhân tạo (AI), thực tế ảo (VR), và tính toán lượng tử. Theo các nguồn uy tín như ScienceAlert và Popular Mechanics, bước tiến này đánh dấu sự chuyển dịch từ công nghệ silicon sang vật liệu lượng tử, mở đường cho thế hệ thiết bị điện tử mới mẻ và hiệu quả hơn.

Vật liệu trung tâm của nghiên cứu là 1T-TaS₂, một loại disulfide tantalum dạng lớp, thuộc nhóm vật liệu lượng tử đặc biệt. Theo bài báo trên Nature Physics, 1T-TaS₂ có khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa hai trạng thái: dẫn điện như kim loại (metallic) và cách điện như chất bán dẫn (insulating). Trạng thái này được chi phối bởi sóng mật độ điện tích (charge density wave - CDW), nơi các electron sắp xếp theo mô hình lặp lại, dẫn đến sự thay đổi trong tính dẫn điện. Trước đây, trạng thái dẫn điện chỉ xuất hiện ở nhiệt độ cực thấp, gần zero tuyệt đối, và tồn tại trong vài phần giây, khiến nó khó ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra "trạng thái kim loại ẩn" (hidden metallic state), nơi vật liệu bề ngoài cách điện nhưng thực chất cho phép dòng electron di chuyển ở tốc độ cao nhờ các vùng dẫn điện nhỏ phân bố nội tại.

Các nguồn như LiveScience và The Brighter Side News nhấn mạnh rằng 1T-TaS₂ khác biệt so với silicon vì nó kết hợp cả tính dẫn và cách điện trong cùng một chất liệu, loại bỏ nhu cầu về các giao diện phức tạp giữa các lớp vật liệu khác nhau. Điều này không chỉ đơn giản hóa thiết kế vi mạch mà còn giảm thiểu mất mát năng lượng do ma sát tại các giao diện, một vấn đề phổ biến trong chip hiện đại.

Phương pháp thí nghiệm: Làm nguội nhiệt và kiểm soát bằng ánh sáng

Nhóm nghiên cứu, dẫn đầu bởi Alberto de la Torre, đã sử dụng kỹ thuật "thermal quenching" - nung nóng vật liệu lên trên ngưỡng chuyển pha rồi làm nguội nhanh với 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, ổn định ở nhiệt độ gần phòng (khoảng 210 K hoặc -63°C) và duy trì trong nhiều tháng. Theo Popular Mechanics, quá trình này ngăn chặn sự tái tổ chức hoàn toàn của cấu trúc tinh thể, cho phép electron "bunch together" ở một số vùng, hình thành CDW dẫn điện.

Bên cạnh đó, ánh sáng được sử dụng để kích hoạt sự chuyển đổi. Khi chiếu ánh sáng, vật liệu phản ứng gần như tức thì (trong picosecond), thay đổi cấu trúc CDW và duy trì trạng thái kim loại ẩn. Giáo sư Gregory Fiete từ Đại học Northeastern cho biết: "Không có gì nhanh hơn ánh sáng, và chúng tôi đang sử dụng ánh sáng để kiểm soát đặc tính vật liệu ở tốc độ nhanh nhất mà vật lý cho phép." Các thí nghiệm còn khám phá dao động mạng tinh thể ở tần số cụ thể, như 2,5 terahertz thay đổi biên độ CDW và 1,3 terahertz gây trượt lớp nguyên tử, theo ScienceAlert. Phương pháp này vượt trội hơn các nghiên cứu trước đây chỉ dùng xung laser siêu nhanh, vốn chỉ tạo trạng thái tạm thời ở nhiệt độ lạnh.

Ngoài ra, một số nghiên cứu liên quan ghi nhận khả năng điều chỉnh trạng thái thông qua buồng cộng hưởng terahertz, nơi thay đổi cấu trúc quang học bên ngoài giúp vật liệu phản ứng với trường điện từ, tương tự nguyên lý laser nhưng ở cấp độ nguyên tử.

Kết quả và cơ chế hoạt động

Kết quả cho thấy vật liệu có thể chuyển đổi giữa insulator và conductor tức thì, đạt tần số terahertz – nhanh gấp 1.000 lần so với gigahertz của chip silicon hiện nay. Alberto de la Torre nhấn mạnh: "Bộ xử lý hiện nay hoạt động ở gigahertz. Tốc độ thay đổi mà điều này cho phép sẽ đưa bạn đến terahertz." Cơ chế dựa trên sự hỗn hợp pha: Vật liệu duy trì trạng thái cách điện tổng thể nhưng có các vùng dẫn điện nhỏ, cho phép electron di chuyển nhanh chóng.

Nghiên cứu được công bố trên Nature Physics, sử dụng kỹ thuật như quang phổ tunneling quét và mapping X-ray để quan sát sắp xếp nguyên tử. Theo Northeastern's news, điều này loại bỏ các giao diện vật liệu, đơn giản hóa cấu trúc và mở ra khả năng lập trình trạng thái, cho phép lưu trữ và xử lý dữ liệu trong cùng một chất liệu.

Ứng dụng và tác động đến ngành công nghiệp

Phát hiện này đặc biệt quan trọng trong kỷ nguyên dữ liệu lớn, nơi yêu cầu xử lý thời gian thực cho AI, VR, tính toán lượng tử và mô phỏng khoa học. Popular Mechanics lưu ý rằng nó có thể hỗ trợ "in-memory computing", giảm tiêu thụ năng lượng bằng cách giảm di chuyển dữ liệu giữa bộ nhớ và bộ xử lý. LiveScience so sánh với transistor silicon, cho rằng 1T-TaS₂ có thể thay thế silicon trong laptop và smartphone, chiếm ít không gian hơn và hoạt động nhanh hơn theo Luật Moore.

Hơn nữa, The Brighter Side News đề cập đến tiềm năng trong cảm biến mới hoặc thiết bị lưu trữ, mở rộng ứng dụng ngoài điện tử tiêu dùng. Gregory Fiete nhấn mạnh: "Chúng ta đang ở điểm mà để có cải thiện đáng kinh ngạc trong lưu trữ thông tin hoặc tốc độ hoạt động, chúng ta cần một mô hình mới. Tính toán lượng tử là một hướng, và đổi mới vật liệu là hướng khác".

Thách thức và hướng phát triển

Mặc dù ấn tượng, trạng thái ổn định chỉ đạt đến -63°C, vẫn cần cải thiện để đạt nhiệt độ phòng. Các nguồn như ScienceAlert chỉ ra rằng silicon đang đạt giới hạn vật lý, nhưng tích hợp vật liệu lượng tử vào sản xuất hàng loạt vẫn là thách thức. Tương lai có thể tập trung vào kết hợp với công nghệ hiện tại để tạo thiết bị hybrid.

Phát hiện về kiểm soát vật liệu lượng tử 1T-TaS₂ tại Đại học Northeastern đại diện cho bước tiến quan trọng, hứa hẹn cách mạng hóa công nghệ điện tử với tốc độ terahertz và hiệu quả cao hơn. Dù còn một số hạn chế về nhiệt độ, nó cung cấp nền tảng cho các thiết bị thế hệ mới, vượt qua giới hạn silicon và hỗ trợ phát triển bền vững trong kỷ nguyên số. Các nghiên cứu tiếp theo sẽ quyết định việc biến tiềm năng này thành hiện thực thương mại, mang lại lợi ích to lớn cho xã hội.

Vista.gov.vn