Nghiên cứu do Phòng thí nghiệm Cavendish tại trường Đại học Cambridge chỉ đạo thực hiện, đã xác định được loại vật liệu giúp giải quyết hai thách thức lớn đặt ra với máy tính trong tương lai, đó là tốc độ và năng lượng. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Nghiên cứu trong lĩnh vực máy tính dựa vào ánh sáng (sử dụng ánh sáng thay vì điện để thực hiện tính toán vượt ra ngoài giới hạn của các máy tính hiện nay) đang tiến triển nhanh, nhưng các rào cản trong việc phát triển công tắc chuyển mạch quang, quá trình qua đó ánh sáng dễ dàng biến đổi giữa 2 trạng thái “bật” và “tắt”, phản xạ hoặc truyền ánh sáng theo yêu cầu.

Nghiên cứu cho thấy vật liệu Ta₂NiSe₅ có thể chuyển đổi giữa dạng cửa sổ và gương trong một phần tư giây khi bị tác động bởi một xung laser ngắn, mở đường cho việc chế tạo công tắc chuyển đổi cực nhanh trong máy tính của tương lai.

Vật liệu trông giống một đoạn chì bút chì và hoạt động như chất cách điện ở nhiệt độ phòng, có nghĩa là khi ánh sáng hồng ngoại chiếu vào vật liệu ở trạng thái cách nhiệt này, nó sẽ đi thẳng qua một cửa sổ. Tuy nhiên, khi bị nung nóng, vật liệu này sẽ trở thành kim loại có tác dụng như gương và phản chiếu ánh sáng.

TS. Akshay Rao, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi biết rằng Ta₂NiSe₅ có thể chuyển đổi giữa dạng cửa sổ và gương khi nó nóng lên, nhưng làm nóng một vật thể là quá trình diễn ra rất chậm. Những gì thí nghiệm của chúng tôi đã chỉ ra, là một xung laser ngắn cũng có thể kích hoạt chuyển đổi này chỉ trong 10-15 giây. Tốc độ này nhanh hơn một triệu lần so với các công tắc trong máy tính hiện tại của chúng tôi".

Các nhà nghiên cứu đang xem xét hành vi của vật liệu để chỉ ra sự tồn tại của một giai đoạn mới của vật chất được gọi là “chất cách điện kích thích”, đã được thử nghiệm rất khó khăn kể từ khi lý thuyết lần đầu tiên được đưa ra vào những năm 1960.

TS. Rao cho biết: “Giai đoạn cách điện kích thích này giống như chất cách điện rất bình thường, nhưng cách để phân biệt giữa chất cách điện bất thường và thông thường là xác định chính xác thời gian vật liệu trở thành kim loại. Đối với vật chất thông thường, việc chuyển từ chất cách điện sang kim loại giống như làm tan chảy một khối nước đá. Bản thân các nguyên tử di chuyển vị trí và sắp xếp lại, làm cho quá trình diễn ra chậm. Nhưng trong chất cách điện kích thích, quá trình này diễn ra nhanh vì bản thân các nguyên tử không cần di chuyển qua để chuyển đổi giai đoạn. Nếu tìm ra cách đo lường tốc độ chuyển đổi này, chúng tôi có thể phát hiện ra chất cách điện kích thích".

Để thực hiện thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một chuỗi các xung laser rất ngắn, đầu tiên là để làm nhiễu vật liệu và sau đó, đo lường sự thay đổi phản xạ của nó. Ở nhiệt độ phòng, các nhà khoa học đã phát hiện ra khi Ta₂NiSe₅ bị xung laser mạnh tác động vào, nó thể hiện dấu hiệu của trạng thái kim loại ngay lập tức, trở thành một tấm gương trong khoảng thời gian nhanh hơn khả năng chúng chuyển đổi. Quá trình này cung cấp bằng chứng mạnh mẽ về bản chất cách điện kích thích của Ta₂NiSe₅.

TS. Rao cho rằng để sản xuất bộ chuyển mạch lượng tử với Ta₂NiSe₅ trên thực tế vẫn phải trải qua một chặng đường dài, nhưng việc xác định cách tiếp cận mới với thách thức ngày càng tăng về tốc độ và sử dụng năng lượng của máy tính là bước phát triển đầy thú vị.

N.P.D (NASATI), theo https://www.sciencedaily.com/releases/2021/03/210316132114.htm, 3/2021