Phương pháp điện mới có thể dễ dàng thay đổi hướng dòng điện tử trong một số vật liệu lượng tử có ý nghĩa lớn đối với sự phát triển của các thiết bị điện tử và máy tính lượng tử thế hệ tiếp theo.

Nhóm các nhà nghiên cứu của Đại học Pennsylvania State đã phát triển thành công và trình diễn phương pháp này trên các vật liệu thể biểu hiệu ứng Hall dị thường lượng tử (QAH) - một hiện tượng trong đó dòng electron chạy dọc theo rìa của vật liệu và không bị mất năng lượng. Công trình nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Materials.

Cui-Zu Chang, phó giáo sư vật lý, đồng tác giả của bài báo, cho biết: “Khi các thiết bị điện tử ngày càng nhỏ gọn hơn và nhu cầu tính toán ngày càng lớn thì việc tìm cách cải thiện hiệu quả truyền thông tin, bao gồm cả việc kiểm soát dòng điện tử, ngày càng trở nên quan trọng. Hiệu ứng QAH đầy hứa hẹn vì không bị mất năng lượng khi các electron di chuyển dọc theo các cạnh của vật liệu”.

Năm 2013, Chang là người đầu tiên chứng minh bằng thực nghiệm hiện tượng lượng tử này. Các vật liệu thể hiện hiệu ứng này được gọi là chất cách điện QAH, là một loại chất cách điện tôpô - một lớp màng mỏng chỉ dày vài chục nguyên tử - được tạo ra từ tính để chúng chỉ dẫn dòng điện ở các cạnh của chúng. Vì các electron chuyển động rõ ràng theo một hướng nên hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng không tiêu tán, nghĩa là không có năng lượng nào bị mất đi dưới dạng nhiệt.

Chang cho biết: “Trong chất cách điện QAH, các electron ở một bên của vật liệu di chuyển theo một hướng, trong khi các electron ở phía bên kia di chuyển theo hướng ngược lại, giống như đường cao tốc hai làn. Công trình trước đây của chúng tôi đã chứng minh cách mở rộng hiệu ứng QAH, về cơ bản là tạo ra đường cao tốc nhiều làn để vận chuyển điện tử nhanh hơn. Trong nghiên cứu này, chúng tôi phát triển một phương pháp điện mới giúp kiểm soát hướng giao thông của đường cao tốc điện tử và cung cấp cách thức để các electron đó quay đầu lại ngay lập tức”.

Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một chất cách điện QAH với các đặc tính cụ thể và được tối ưu hóa. Họ phát hiện ra rằng việc áp một xung dòng điện 5 mili giây vào chất cách điện QAH sẽ tác động đến từ tính bên trong của vật liệu và khiến các electron thay đổi hướng. Khả năng thay đổi hướng là rất quan trọng để tối ưu hóa việc truyền, lưu trữ và truy xuất thông tin trong công nghệ lượng tử.

Không giống như các thiết bị điện tử hiện nay, dữ liệu được lưu trữ ở trạng thái nhị phân là bật hoặc tắt-dưới dạng 1 hoặc 0-dữ liệu lượng tử có thể được lưu trữ đồng thời ở nhiều trạng thái có thể có. Thay đổi dòng điện tử là một bước quan trọng trong việc viết và đọc các trạng thái lượng tử này.

Chao-Xing Liu, giáo sư vật lý tại Đại học Pennsylvania State, đồng tác giả bài báo cho biết: “Phương pháp trước đây muốn chuyển hướng dòng điện tử phải dựa vào nam châm bên ngoài để thay đổi từ tính của vật liệu, nhưng sử dụng nam châm trong các thiết bị điện tử là không lý tưởng”. “Nam châm cồng kềnh không thực tế đối với các thiết bị nhỏ như điện thoại thông minh và công tắc điện tử thường nhanh hơn nhiều so với công tắc từ. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã tìm ra một phương pháp điện tử dễ dàng cho phép thay đổi hướng của dòng điện tử”.

Các nhà nghiên cứu trước đây cũng đã tối ưu hóa chất cách điện QAH để họ có thể tận dụng cơ chế vật lý trong hệ thống từ đó kiểm soát từ tính bên trong của nó. Liu cho biết: “Để phương pháp này trở nên hiệu quả hơn, chúng tôi cần tăng mật độ dòng điện áp dụng. Bằng cách thu hẹp các thiết bị cách điện QAH, xung dòng điện tạo ra mật độ dòng điện rất cao làm chuyển hướng từ hóa cũng như hướng của đường truyền điện tử”.

Ngoài việc trình diễn thực nghiệm, nhóm nghiên cứu còn đưa ra cách giải thích lý thuyết về phương pháp của họ. Nhóm nghiên cứu hiện đang khám phá cách tạm dừng các electron trên đường đi của chúng – về cơ bản là bật và tắt hệ thống. Họ cũng đang theo đuổi cách chứng minh hiệu ứng QAH ở nhiệt độ cao hơn. Chang cho biết: “Hiệu ứng này, cũng như các yêu cầu hiện tại đối với máy tính lượng tử và chất siêu dẫn, đòi hỏi nhiệt độ rất thấp gần độ không tuyệt đối. Mục tiêu dài hạn của chúng tôi là tái tạo hiệu ứng QAH ở nhiệt độ phù hợp hơn về mặt công nghệ”.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2023-10-electrical-quantum-phenomenon-future-electronic.html, 18/10/2023