Từ silicon đến lượng tử: Bước nhảy 1.000 lần tốc độ

Trong nhiều thập kỷ, silicon đã là nền tảng cho mọi thiết bị điện tử, từ máy tính, điện thoại đến hệ thống máy chủ. Tuy nhiên, khi công nghệ dần tiệm cận giới hạn vật lý của vật liệu silicon, giới khoa học đang ráo riết tìm kiếm giải pháp thay thế. Và 1T-TaS₂, một vật liệu lượng tử đặc biệt, đang nổi lên như một ứng viên sáng giá.

Vật liệu 1T-TaS₂ có khả năng chuyển đổi giữa hai trạng thái vật lý: dẫn điện như kim loại hoặc cách điện như chất bán dẫn. Tuy nhiên, trạng thái dẫn điện của nó trước đây chỉ xuất hiện trong điều kiện nhiệt độ cực thấp và tồn tại trong thời gian rất ngắn - điều này khiến việc ứng dụng thực tiễn trở nên bất khả thi.

Nay, bằng một phương pháp có tên là làm nguội nhiệt (thermal quenching) kết hợp với chiếu sáng laser, các nhà khoa học đã có thể duy trì trạng thái dẫn điện ổn định của vật liệu trong nhiều tháng, ở nhiệt độ gần với môi trường thông thường.

Đột phá công nghệ chip mới: Vật liệu lượng tử giúp thiết bị điện tử nhanh gấp 1.000 lần.

Chiếu sáng để điều khiển vật liệu: Thay thế hàng lớp transistor

Trong nghiên cứu công bố trên Nature Physics, nhóm khoa học sử dụng một kỹ thuật làm nóng và làm lạnh siêu nhanh - khoảng 120 Kelvin mỗi giây - để vượt qua ngưỡng chuyển pha vật liệu. Từ đó, họ tạo ra trạng thái pha hỗn hợp, trong đó các vùng dẫn điện nhỏ phân bố rải rác như “hòn đảo” trong một nền chất cách điện, tạo nên cái gọi là “trạng thái kim loại ẩn”.

Đáng chú ý, ánh sáng đóng vai trò then chốt trong quá trình điều khiển vật liệu. Khi được chiếu sáng ở tần số nhất định, 1T-TaS₂ phản ứng ngay lập tức, tái cấu trúc sóng mật độ điện tích nội tại. Điều này giúp duy trì trạng thái dẫn điện mà không cần phải giữ ở điều kiện vật lý khắt khe.

Giáo sư Gregory Fiete, chuyên gia vật lý lượng tử tại Đại học Northeastern, nhận định: “Chúng tôi đang điều khiển vật liệu với tốc độ nhanh nhất mà vật lý cho phép. Việc sử dụng ánh sáng thay cho các lớp transistor truyền thống mở ra con đường mới cho thiết kế vi mạch đơn giản hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn”.

Định hình lại ngành vi điện tử

Hiện nay, chip silicon hoạt động ở tần số gigahertz - tương đương vài tỷ xung nhịp mỗi giây. Nhưng với 1T-TaS₂, tần số terahertz hoàn toàn khả thi, tức tốc độ có thể đạt nghìn tỷ xung nhịp mỗi giây.

Theo nhà nghiên cứu Alberto de la Torre, người dẫn đầu nhóm, khả năng điều khiển tức thời bằng ánh sáng giúp lập trình vật liệu theo nhiều chế độ khác nhau, cho phép các chip tương lai vừa lưu trữ vừa xử lý dữ liệu ngay bên trong cùng một vật liệu - điều mà các hệ thống silicon hiện nay chưa thể thực hiện đồng thời.

Không những thế, vật liệu này còn phản ứng với trường điện từ theo cách có thể điều chỉnh được thông qua cấu trúc quang học bên ngoài, giống như hiệu ứng cộng hưởng trong thiết bị laser. Điều này đồng nghĩa với việc, chỉ cần thay đổi điều kiện ánh sáng hoặc từ trường, thiết bị có thể thay đổi hành vi điện tử ngay lập tức mà không cần thay thế vật liệu.

Ứng dụng tiềm năng: Từ AI đến tính toán lượng tử

Việc mở rộng băng thông xử lý từ gigahertz lên terahertz sẽ tạo ra sự đột phá trong các lĩnh vực yêu cầu xử lý dữ liệu khổng lồ và thời gian thực, như: Trí tuệ nhân tạo (AI). Thực tế ảo (VR/AR). Tính toán lượng tử. Mô phỏng khoa học và mô hình hóa tài chính. Thiết bị IoT và cảm biến thông minh. Đặc biệt, thiết bị sử dụng vật liệu mới này có thể thu nhỏ đáng kể về kích thước mà không đánh đổi hiệu suất – một điều kiện lý tưởng cho các thiết bị di động, đeo tay hoặc tích hợp vào robot.

Từ nghiên cứu đến thương mại hóa: Còn bao xa?

Hiện tại, vật liệu 1T-TaS₂ vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu phòng thí nghiệm. Tuy nhiên, các kết quả ban đầu rất khả quan khi nhóm đã chứng minh khả năng hoạt động ổn định nhiều tháng ở điều kiện gần với môi trường tự nhiên - điều kiện cần thiết để thương mại hóa.

Một số phòng nghiên cứu tại Nhật Bản và châu Âu đang thử nghiệm tích hợp vật liệu lượng tử này vào chip thế hệ mới, với kỳ vọng sản phẩm mẫu có thể ra mắt trong vài năm tới.

Nếu thành công, vật liệu này không chỉ thay thế silicon mà còn định nghĩa lại toàn bộ kiến trúc vi mạch - biến một con chip thành một hệ thống hoàn chỉnh, vừa xử lý, vừa lưu trữ, vừa tự điều chỉnh thông minh theo môi trường.

Với phát hiện về khả năng điều khiển vật liệu lượng tử bằng ánh sáng, nhóm nghiên cứu tại Đại học Northeastern đã mở ra một chương mới cho ngành công nghệ vi điện tử. Dù vẫn còn cần thời gian để đưa từ phòng thí nghiệm ra thực tiễn, nhưng tiềm năng của nó - giúp máy tính và điện thoại nhanh hơn 1.000 lần - là lời hứa hẹn hấp dẫn cho tương lai công nghệ.