Phát hiện vật liệu lượng tử mới có thể thay thế chip silicon

Trong bối cảnh công nghệ silicon dần chạm đến giới hạn vật lý, một nhóm nghiên cứu tại Đại học Northeastern (Mỹ) vừa công bố bước đột phá quan trọng trong việc kiểm soát vật liệu lượng tử 1T-TaS₂ bằng phương pháp làm nguội siêu nhanh kết hợp với ánh sáng. Phát hiện này mở ra triển vọng tạo ra chip điện tử tốc độ terahertz – nhanh gấp 1.000 lần so với công nghệ hiện tại, đồng thời tiết kiệm năng lượng.

Các nhà khoa học cho biết 1T-TaS₂ – một hợp chất tantalum disulfide dạng lớp, thuộc nhóm vật liệu lượng tử đặc biệt, có khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa trạng thái dẫn điện và cách điện nhờ hiện tượng “sóng mật độ điện tích” (charge density wave - CDW). Trước đây, trạng thái dẫn điện chỉ tồn tại trong thời gian cực ngắn và ở nhiệt độ gần bằng 0 tuyệt đối, gây khó khăn cho ứng dụng thực tế. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã tìm ra “trạng thái kim loại ẩn” (hidden metallic state), nơi vật liệu nhìn bề ngoài như chất cách điện nhưng vẫn cho phép electron di chuyển nhanh nhờ các vùng dẫn điện nội tại.

Để đạt được trạng thái này, nhóm của tiến sĩ Alberto de la Torre sử dụng kỹ thuật thermal quenching, nung nóng vật liệu vượt ngưỡng rồi làm nguội cực nhanh, giúp tạo ra pha hỗn hợp ổn định ở mức -73°C và duy trì trong nhiều tháng. Song song, ánh sáng laser được dùng để điều khiển cấu trúc điện tử chỉ trong vài phần nghìn tỷ giây, mở ra khả năng kiểm soát vật liệu ở tốc độ cực nhanh.

Kết quả thí nghiệm cho thấy 1T-TaS₂ có thể chuyển đổi tức thì giữa dẫn điện và cách điện ở tần số terahertz, cao hơn gấp 1.000 lần so với chip silicon vốn giới hạn ở gigahertz. Theo các nhà nghiên cứu, điều này không chỉ cải thiện tốc độ xử lý mà còn giảm đáng kể tiêu hao năng lượng, đồng thời đơn giản hóa thiết kế vi mạch do không cần nhiều lớp giao diện như trong công nghệ silicon.

Các chuyên gia nhận định phát hiện này có thể tạo ra cuộc cách mạng trong nhiều lĩnh vực, từ trí tuệ nhân tạo (AI), thực tế ảo (VR), cho đến tính toán lượng tử và mô phỏng khoa học. Đặc biệt, công nghệ mới còn hỗ trợ mô hình in-memory computing, giúp xử lý dữ liệu trực tiếp trong bộ nhớ, giảm thời gian và điện năng tiêu thụ.

Dù vậy, trở ngại lớn nhất hiện nay là vật liệu chỉ ổn định ở -73°C, chưa đạt đến nhiệt độ phòng. Việc thương mại hóa đòi hỏi những nghiên cứu tiếp theo để đảm bảo hoạt động ở điều kiện thường và tích hợp vào quy trình sản xuất chip hàng loạt.

Theo các nhà khoa học, đây mới chỉ là bước khởi đầu nhưng mang ý nghĩa quan trọng. Trong kỷ nguyên silicon đang dần đi đến giới hạn, 1T-TaS₂ và các vật liệu lượng tử tương tự có thể mở ra một chương mới cho ngành công nghiệp điện tử toàn cầu.

Nguồn: Live Science