Mỹ tạo đột phá với loại vật liệu giúp điện thoại và máy tính hoạt động nhanh gấp 1.000 lần

Các nhà khoa học tại Đại học Northeastern (Mỹ) vừa tìm ra cách giúp thiết bị điện tử, như điện thoại và máy tính, hoạt động nhanh hơn gấp 1.000 lần so với hiện tại. Họ làm được điều này nhờ một kỹ thuật gọi là “thermal quenching” – tức làm thay đổi trạng thái của vật liệu bằng cách kiểm soát quá trình làm nóng và làm lạnh.

Công nghệ này cho phép một vật liệu lượng tử chuyển đổi linh hoạt giữa trạng thái dẫn điện và cách điện, chỉ bằng việc thay đổi nhiệt độ. Nhóm nghiên cứu tin rằng vật liệu này có thể thay thế silicon – vốn là thành phần chính trong hầu hết thiết bị điện tử ngày nay.

Nếu điều đó trở thành hiện thực, chúng ta có thể có những thiết bị nhỏ hơn nhiều lần và nhanh hơn vượt trội.

“Hiện tại, chip xử lý hoạt động ở tần số gigahertz. Còn với công nghệ này, tốc độ có thể tăng lên mức terahertz”, Alberto de la Torre, trợ lý giáo sư vật lý và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Vật liệu lượng tử đặc biệt

Silicon từ lâu là nền tảng của máy tính, điện thoại và nhiều thiết bị điện tử khác. Tuy nhiên, khi nhu cầu về thiết bị nhỏ gọn và tốc độ cao ngày càng tăng, silicon đang dần chạm tới giới hạn về hiệu năng.

Nhóm nghiên cứu đã tìm kiếm một giải pháp có thể xử lý thông tin nhanh hơn gấp 1.000 lần so với tốc độ gigahertz hiện tại. Họ đã tìm ra 1T-TaS₂, một loại vật liệu lượng tử có thể chuyển đổi tức thì giữa 2 trạng thái: dẫn điện hoàn hảo và cách điện hoàn toàn, tương tự như bật/tắt công tắc điện. Đáng chú ý, sự chuyển đổi này có thể đảo ngược ngay lập tức.

Nhờ chiếu ánh sáng lên vật liệu 1T-TaS₂ gần nhiệt độ phòng, các nhà khoa học đã kích hoạt được trạng thái dẫn điện – vốn trước đây chỉ xuất hiện ở điều kiện siêu lạnh. Họ cho rằng việc kiểm soát vật liệu lượng tử có thể định hình lại toàn bộ lĩnh vực điện tử.

Giáo sư vật lý Gregory Fiete nói: “Ai từng dùng máy tính đều có lúc mong mọi thứ tải nhanh hơn. Không gì nhanh bằng ánh sáng, và giờ chúng tôi dùng ánh sáng để điều khiển vật liệu ở tốc độ gần như nhanh nhất có thể mà vật lý cho phép”.

Thiết bị tương lai sẽ nhỏ hơn và mạnh hơn

Thông thường, thiết bị điện tử cần nhiều lớp vật liệu khác nhau để đảm bảo cả khả năng dẫn điện lẫn cách điện. Điều này khiến cấu trúc chip phức tạp và khó thu nhỏ hơn nữa.

Nhưng phát hiện mới này giúp tích hợp 2 chức năng vào một vật liệu duy nhất, và chỉ cần ánh sáng để điều khiển. Điều đó có nghĩa là chip tương lai có thể nhỏ hơn, nhanh hơn, và dễ sản xuất hơn.

Giáo sư Fiete cũng lưu ý rằng công nghệ hiện nay – vốn dựa trên việc xếp chồng chip silicon – đang dần đạt giới hạn. Vì vậy, những vật liệu lượng tử siêu nhỏ sẽ ngày càng quan trọng trong thiết kế điện tử tương lai.

“Chúng ta đang ở thời điểm mà để tăng đột phá về lưu trữ thông tin hay tốc độ xử lý, chúng ta cần một hướng đi hoàn toàn mới. Máy tính lượng tử là một cách, và đổi mới về vật liệu là một cách khác – đó chính là điều mà nghiên cứu này đang hướng đến”, ông kết luận.

Đây được xem là bước ngoặt lớn đối với ngành khoa học vật liệu và tương lai của ngành điện tử – giống như cách mà bóng bán dẫn từng thay đổi cả thế giới máy tính, tạo ra những thiết bị nhỏ nhưng mạnh hơn rất nhiều.

Theo Interesting Engineering