Những ngày bạn cảm thấy bực bội vì smartphone hoặc laptop chạy chậm có thể sắp kết thúc: các nhà khoa học đã khám phá ra một kỹ thuật mới để kiểm soát các trạng thái điện tử trong vật liệu lượng tử có thể làm cho các thiết bị của chúng ta nhanh hơn tới 1.000 lần.

Vật liệu lượng tử là những vật liệu thể hiện các hành vi và tính chất kỳ lạ được chi phối bởi cơ học lượng tử. Chúng cung cấp một cái nhìn thoáng qua về một lĩnh vực vật lý riêng biệt, nơi các định luật tiêu chuẩn không áp dụng.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu từ các tổ chức trên khắp Hoa Kỳ đã thao tác nhiệt độ của một vật liệu lượng tử nhiều lớp có tên 1T-TaS₂, cho phép nó chuyển đổi ngay lập tức giữa hai pha điện tử đối lập: cách điện và dẫn điện. Khả năng chặn hoặc cho phép dòng điện chảy qua là chìa khóa cho cách hoạt động của các transistor trong chip máy tính.

Tất nhiên, đây là một hành trình dài từ phòng thí nghiệm vật lý đến thiết bị điện tử tiêu dùng, nhưng công nghệ này có tiềm năng biến đổi tốc độ xung nhịp của các bộ xử lý trong thiết bị của chúng ta - về cơ bản là tốc độ chạy của chúng.

"Tất cả những ai từng sử dụng máy tính đều gặp phải thời điểm họ ước gì đó có thể tải nhanh hơn," nhà vật lý 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 các tính chất vật liệu ở tốc độ nhanh nhất có thể mà vật lý cho phép."

Mọi thiết bị điện tử đều yêu cầu cả vật liệu dẫn điện và cách điện, sau đó cần được liên kết với nhau. Nếu công nghệ này có thể được phát triển, chúng ta sẽ có một vật liệu nhỏ hơn, nhanh hơn, đơn lẻ có thể được kiểm soát bằng ánh sáng để chuyển đổi giữa hai trạng thái.

Các nhà nghiên cứu gọi quy trình của họ là "thermal quenching" (tôi luyện nhiệt). Vật liệu 1T-TaS₂ trước đây đã cho thấy triển vọng trong việc chuyển đổi giữa chất dẫn điện và chất cách điện, nhưng đột phá ở đây là thực hiện điều đó ở nhiệt độ thực tế hơn, thay vì nhiệt độ cực lạnh, và trong nhiều tháng thay vì vài giây.

Chìa khóa cho những cải tiến đó là phương pháp gia nhiệt và làm lạnh được sử dụng bởi các nhà nghiên cứu, và thời gian của những thay đổi nhiệt độ: đủ nhanh để có hiệu quả, nhưng không quá nhanh đến mức các trạng thái lượng tử cần thiết bị sụp đổ.

"Một trong những thách thức lớn là, làm thế nào để bạn kiểm soát các tính chất vật liệu theo ý muốn?" Fiete nói. "Điều chúng tôi đang hướng tới là mức độ kiểm soát cao nhất đối với các tính chất vật liệu. Chúng tôi muốn nó làm điều gì đó rất nhanh, với một kết quả rất chắc chắn, bởi vì đó là loại thứ sau đó có thể được khai thác trong một thiết bị."

Kỹ thuật "thermal quenching" hoạt động bằng cách sử dụng xung laser cực ngắn để gia nhiệt nhanh chóng vật liệu, sau đó làm lạnh nó với tốc độ được kiểm soát cẩn thận. Quá trình này tạo ra những thay đổi cấu trúc tinh thể cho phép vật liệu chuyển đổi giữa các trạng thái dẫn điện và cách điện một cách ổn định và có thể dự đoán được.

Điều quan trọng là timing của quá trình này phải được tối ưu hóa một cách chính xác. Nếu gia nhiệt quá nhanh, các electron trong vật liệu sẽ không có đủ thời gian để tổ chức lại thành cấu trúc mong muốn. Nếu làm lạnh quá chậm, vật liệu sẽ trở về trạng thái ban đầu thay vì duy trì trạng thái mới.

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng với điều kiện thích hợp, vật liệu 1T-TaS₂ có thể duy trì trạng thái mới trong nhiều tháng ở nhiệt độ phòng. Đây là một cải tiến đáng kể so với các nghiên cứu trước đó, nơi trạng thái chỉ tồn tại trong vài giây hoặc yêu cầu nhiệt độ cực thấp để duy trì.

Các linh kiện bán dẫn silicon tất nhiên đã phục vụ chúng ta tốt trong nhiều thập kỷ, nhưng giờ đây chúng ta đang tiến gần đến giới hạn vật lý của những gì các chip này có thể cung cấp. Do đó, các nhà sản xuất đang tìm kiếm các lựa chọn thay thế.

Mặc dù các kỹ thuật được sử dụng với 1T-TaS₂ ở đây vẫn chưa sẵn sàng để nhồi vào các thiết bị của chúng ta ngay bây giờ, chúng mở ra những con đường tiềm năng hướng tới các loại linh kiện khác nhau và các phương pháp tiếp cận khác nhau đối với thiết bị điện tử có thể cung cấp những bước nhảy hiệu suất nghiêm trọng trong những năm tới.

Một trong những ứng dụng tiềm năng quan trọng nhất của công nghệ này là trong lĩnh vực máy tính lượng tử. Khả năng kiểm soát chính xác trạng thái của vật liệu lượng tử có thể giúp tạo ra các qubit ổn định hơn - đơn vị thông tin cơ bản của máy tính lượng tử. Điều này có thể dẫn đến những máy tính lượng tử mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn.

Ngoài ra, công nghệ này còn có thể ứng dụng trong việc phát triển các cảm biến siêu nhạy. Khả năng chuyển đổi nhanh chóng giữa các trạng thái dẫn điện và cách điện có thể được sử dụng để tạo ra các cảm biến có thể phát hiện những thay đổi nhỏ nhất trong môi trường xung quanh.

Trong lĩnh vực lưu trữ dữ liệu, công nghệ này có thể mở ra khả năng tạo ra các thiết bị lưu trữ có tốc độ truy cập nhanh hơn và mật độ lưu trữ cao hơn. Khả năng chuyển đổi trạng thái trong thời gian cực ngắn có thể cho phép việc ghi và đọc dữ liệu với tốc độ chưa từng có.

Tác động của công nghệ này đối với ngành công nghiệp bán dẫn có thể rất lớn. Nếu được thương mại hóa thành công, nó có thể thay đổi cách chúng ta thiết kế và sản xuất chip máy tính. Thay vì phải sử dụng nhiều loại vật liệu khác nhau cho các chức năng khác nhau, chúng ta có thể sử dụng một loại vật liệu duy nhất có thể được kiểm soát để thực hiện nhiều chức năng.

Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần phải vượt qua trước khi công nghệ này có thể được ứng dụng thực tế. Việc sản xuất hàng loạt các vật liệu lượng tử với chất lượng đồng nhất là một thách thức lớn. Ngoài ra, việc tích hợp công nghệ này vào các quy trình sản xuất hiện có cũng đòi hỏi nhiều nghiên cứu và phát triển.

Chi phí sản xuất cũng là một yếu tố quan trọng cần xem xét. Hiện tại, việc sản xuất vật liệu lượng tử chất lượng cao vẫn rất đắt đỏ. Để công nghệ này trở nên khả thi về mặt thương mại, cần phải tìm ra cách giảm chi phí sản xuất xuống mức có thể cạnh tranh với các công nghệ hiện tại.

Một thách thức khác là việc kiểm soát chính xác các điều kiện hoạt động. Kỹ thuật "thermal quenching" đòi hỏi kiểm soát nhiệt độ và thời gian với độ chính xác cao. Điều này có thể đòi hỏi các hệ thống kiểm soát phức tạp và đắt tiền.

Mặc dù có những thách thức này, tiềm năng của công nghệ là rất lớn. Nếu được phát triển thành công, nó có thể mang lại những cải tiến hiệu suất đáng kể cho tất cả các loại thiết bị điện tử, từ điện thoại thông minh đến siêu máy tính.

"Chúng ta đang ở một điểm mà để có được những cải tiến tuyệt vời trong lưu trữ thông tin hoặc tốc độ hoạt động, chúng ta cần một mô hình mới," Fiete nói. "Máy tính lượng tử là một con đường để xử lý điều này, và một con đường khác là đổi mới trong vật liệu. Đó là điều mà công việc này thực sự nói về."

Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Physics, một trong những tạp chí khoa học uy tín nhất thế giới. Điều này cho thấy tầm quan trọng và chất lượng của nghiên cứu, cũng như tiềm năng ứng dụng thực tế của nó.

Tương lai của công nghệ điện tử có thể sẽ được định hình bởi những đột phá như thế này. Với sự phát triển không ngừng của khoa học vật liệu và công nghệ lượng tử, chúng ta có thể mong đợi những cải tiến đáng kể trong hiệu suất và khả năng của các thiết bị điện tử trong tương lai gần.