Khám phá vật liệu lượng tử mới có thể giúp máy tính nhanh gấp 1.000 lần

Mỗi người dùng máy tính đều từng trải qua khoảnh khắc mong đợi ứng dụng khởi chạy nhanh hơn, tệp tải tức thì hay trình duyệt phản hồi tức khắc. Một nghiên cứu mới từ Đại học Northeastern (Mỹ) có thể biến điều đó thành hiện thực – bằng cách khai thác một vật liệu lượng tử kỳ diệu mang tên 1T-TaS₂ và đưa nó vào trạng thái dẫn điện cực nhanh bằng... ánh sáng.

Từ nhiệt độ lạnh sâu đến tốc độ ánh sáng

Vật liệu 1T-TaS₂ thuộc nhóm tinh thể chuyển tiếp kim loại–dichalcogenide, vốn chỉ biểu hiện trạng thái kim loại đặc biệt ở nhiệt độ cực kỳ thấp – lạnh đến mức khó áp dụng trong thiết bị điện tử hàng ngày. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật "thermal quenching" (làm nóng và làm nguội nhanh) để duy trì trạng thái kim loại này gần nhiệt độ phòng, và đáng chú ý là có thể giữ ổn định suốt nhiều tháng, thay vì chỉ vài mili giây như trước đây.

Theo phó giáo sư vật lý Alberto de la Torre – tác giả chính của nghiên cứu – phát hiện này có thể mở ra cánh cửa cho vi xử lý hoạt động ở terahertz, thay vì gigahertz như hiện nay. “Đó là bước nhảy vọt về tốc độ truyền dữ liệu và xử lý thông tin,” ông nói.

Dùng ánh sáng để điều khiển điện tử

Thành công của nhóm đến từ việc họ chiếu ánh sáng để kích hoạt các thay đổi trong cấu trúc điện tử của vật liệu. Cụ thể, họ đã kết hợp các mô hình sóng mật độ điện tích (CDW) – một cách mà electron tự sắp xếp trong vật chất – để ổn định trạng thái kim loại ẩn, vốn trước đây chỉ tồn tại ở điều kiện siêu lạnh. Giờ đây, trạng thái này có thể tồn tại ở 210 K (−63°C) – gần hơn rất nhiều với điều kiện vận hành thực tế.

Dưới kính hiển vi quét và chụp X-quang, nhóm phát hiện sự thay đổi đối xứng trong cấu trúc tinh thể, thậm chí các khối đơn vị cấu trúc còn phình to gấp ba lần theo một chiều. Dù tồn tại cả vùng dẫn điện và cách điện, vật liệu vẫn có thể kiểm soát toàn bộ đặc tính dẫn nhờ cách các lớp CDW xếp chồng lên nhau.

Đơn giản hóa transistor tương lai

Giáo sư Gregory Fiete – đồng tác giả nghiên cứu – nhận định: “Không có gì nhanh hơn ánh sáng, và chúng tôi đang dùng ánh sáng để điều khiển vật chất theo cách nhanh nhất mà vật lý cho phép.”

Quan trọng hơn, công nghệ này thay thế hoàn toàn transistor nhiều lớp bằng một vật liệu duy nhất có thể điều khiển bằng ánh sáng. Điều đó đồng nghĩa với việc giảm thiểu số lượng thành phần bán dẫn, loại bỏ các giao diện phức tạp và từ đó đơn giản hóa thiết kế vi mạch trong tương lai.

“Chúng tôi loại bỏ một bài toán kỹ thuật bằng cách tích hợp mọi thứ vào cùng một vật liệu,” Fiete nói thêm. “Và chúng tôi dùng ánh sáng để điều khiển nó, thay vì điện áp.”

Mở ra kỷ nguyên mới cho chip máy tính

Trong bối cảnh các con chip ngày càng nhỏ hơn và được xếp chồng theo cấu trúc 3D, không gian và hiệu suất đang là rào cản lớn nhất. Những vật liệu lượng tử như 1T-TaS₂ có thể chính là lời giải.

“Chúng ta đang tiến đến ngưỡng mà để đạt được đột phá về lưu trữ thông tin và tốc độ xử lý, cần một cách tiếp cận hoàn toàn mới,” giáo sư Fiete nhấn mạnh. “Một hướng là điện toán lượng tử, hướng còn lại – như công trình này – là đột phá về vật liệu.”

Khi tốc độ xử lý trở thành giới hạn tiếp theo của cách mạng công nghệ, ánh sáng và vật liệu lượng tử có thể là chìa khóa đưa nhân loại vượt ra khỏi giới hạn gigahertz. Nếu được phát triển đúng hướng, những phát hiện từ phòng thí nghiệm Northeastern hôm nay có thể là nền tảng cho máy tính, điện thoại và thiết bị thông minh nhanh gấp hàng nghìn lần trong tương lai không xa.