Phát hiện về vật liệu lượng tử có thể giúp điện tử nhanh hơn gấp 1.000 lần
Tác giả: Kate Rix, Đại học Northeastern
Alberto De la Torre đã sử dụng phương pháp gia nhiệt và làm mát có kiểm soát để tạo ra vật liệu lượng tử chuyển đổi giữa trạng thái dẫn điện và trạng thái cách điện. Nguồn: Matthew Modoono/Đại học Northeastern
Các nhà nghiên cứu tại Đại học Northeastern đã khám phá ra cách thay đổi trạng thái điện tử của vật chất theo yêu cầu, một bước đột phá có thể giúp điện tử nhanh hơn và hiệu quả hơn gấp 1.000 lần.
Bằng cách chuyển từ trạng thái cách điện sang trạng thái dẫn điện và ngược lại, phát hiện này tạo ra tiềm năng thay thế các thành phần silicon trong thiết bị điện tử bằng vật liệu lượng tử nhỏ hơn và nhanh hơn theo cấp số nhân.
"Các bộ xử lý hiện đang hoạt động ở gigahertz", Alberto de la Torre, phó giáo sư vật lý và là tác giả chính của nghiên cứu cho biết. "Tốc độ thay đổi mà phương pháp này mang lại sẽ cho phép bạn đạt đến terahertz".
Thông qua phương pháp gia nhiệt và làm mát có kiểm soát, một kỹ thuật mà họ gọi là "làm nguội nhiệt", các nhà nghiên cứu có thể tạo ra vật liệu lượng tử chuyển đổi giữa trạng thái dẫn điện của kim loại và trạng thái cách điện. Các trạng thái này có thể được đảo ngược ngay lập tức bằng cùng một kỹ thuật.
Được công bố trên tạp chí Nature Physics, những phát hiện nghiên cứu này đại diện cho một bước đột phá đối với các nhà khoa học vật liệu và tương lai của ngành điện tử: khả năng kiểm soát tức thời đối với việc vật liệu dẫn điện hay cách điện.
Hiệu ứng này giống như một bóng bán dẫn chuyển đổi tín hiệu điện tử. Và cũng giống như bóng bán dẫn cho phép máy tính trở nên nhỏ hơn—từ những cỗ máy khổng lồ có kích thước bằng cả một căn phòng cho đến chiếc điện thoại trong túi của bạn—việc kiểm soát vật liệu lượng tử có tiềm năng biến đổi ngành điện tử, Gregory Fiete, giáo sư vật lý tại Northeastern, người đã làm việc với de la Torre để giải thích những phát hiện này, cho biết.
"Bất kỳ ai đã từng sử dụng máy tính đều gặp phải thời điểm mà họ mong muốn thứ gì đó tải nhanh hơn", Fiete nói. "Không có gì nhanh hơn ánh sáng và chúng tôi đang sử dụng ánh sáng để kiểm soát các đặc tính của vật liệu ở tốc độ nhanh nhất có thể mà vật lý cho phép".
Bằng cách chiếu sáng vào một vật liệu lượng tử có tên là 1T-TaS₂ ở nhiệt độ gần với nhiệt độ phòng, các nhà nghiên cứu đã đạt được "trạng thái kim loại ẩn" cho đến nay chỉ ổn định ở nhiệt độ cực lạnh. Hiện nay, các nhà nghiên cứu đã tạo ra trạng thái kim loại dẫn điện ở nhiệt độ thực tế hơn, de la Torre cho biết. Vật liệu này duy trì trạng thái được lập trình trong nhiều tháng—điều chưa từng đạt được trước đây.
"Một trong những thách thức lớn là làm thế nào để kiểm soát các đặc tính vật liệu theo ý muốn?" Fiete cho biết. "Chúng tôi đang hướng tới mức kiểm soát cao nhất đối với các đặc tính vật liệu. Chúng tôi muốn nó thực hiện một điều gì đó rất nhanh, với kết quả rất chắc chắn, vì đó là loại điều có thể được khai thác trong một thiết bị".
Cho đến nay, các thiết bị điện tử cần cả vật liệu dẫn điện và cách điện, cộng với giao diện được thiết kế tốt giữa hai loại vật liệu này. Khám phá này giúp có thể sử dụng chỉ một vật liệu có thể được điều khiển bằng ánh sáng để dẫn điện và sau đó cách điện.
"Chúng tôi loại bỏ một trong những thách thức về kỹ thuật bằng cách đưa tất cả vào một vật liệu", Fiete cho biết. "Và chúng tôi thay thế giao diện bằng ánh sáng trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn".
Nghiên cứu này mở rộng công trình trước đây sử dụng các xung laser cực nhanh để tạm thời thay đổi cách vật liệu dẫn điện. Nhưng những thay đổi đó chỉ kéo dài trong một phần nhỏ của một giây và thường ở nhiệt độ cực lạnh.
Fiete cho biết, chuyển đổi độ dẫn điện ổn định ở nhiệt độ cao hơn là một tiến bộ đáng kể đối với cơ học lượng tử và đối với quá trình bổ sung hoặc thay thế công nghệ dựa trên silicon trong tương lai. Ông cho biết, chất bán dẫn có rất nhiều thành phần logic nên các kỹ sư hiện đang xếp chồng chúng theo ba chiều. Nhưng ông cho biết cách tiếp cận này có những hạn chế khiến vật liệu lượng tử nhỏ trở nên quan trọng hơn đối với thiết kế điện tử.
"Chúng ta đang ở thời điểm mà để có được những cải tiến đáng kinh ngạc về lưu trữ thông tin hoặc tốc độ hoạt động, chúng ta cần một mô hình mới", Fiete cho biết. "Máy tính lượng tử là một con đường để xử lý vấn đề này và một con đường khác là đổi mới vật liệu. Đó chính là mục đích thực sự của công trình này".
Thông tin thêm: Alberto de la Torre và cộng sự, Chuyển pha động trong 1T-TaS2 thông qua quá trình làm nguội nhiệt, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-025-02938-1. Trên arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2407.07953
Thông tin tạp chí: Nature Physics , arXiv
Được cung cấp bởi Northeastern University
