MỸ – Sẽ thế nào nếu các xung ánh sáng cực nhanh có thể vận hành máy tính ở tốc độ nhanh hơn một triệu lần so với các bộ xử lý tốt nhất hiện nay? Một nhóm các nhà khoa học, gồm các nhà nghiên cứu từ Đại học Arizona (University of Arizona), đã nỗ lực để biến điều đó thành hiện thực.

Phó Giáo sư Mohammed Hassan (bên phải), và ông Mohamed Sennary, một sinh viên sau đại học chuyên ngành quang học và vật lý, đang cầm bóng bán dẫn thương mại mà họ đã sử dụng để phát triển bóng bán dẫn tốc độ petahertz

Trong một nỗ lực quốc tế mang tính đột phá, các nhà nghiên cứu từ Khoa Vật lý của đại học Arizona, ông James C. Wyant đã chứng minh một cách để thao tác các electron trong graphene (1) bằng các xung ánh sáng kéo dài chưa đến một phần nghìn tỷ giây. Bằng cách tận dụng hiệu ứng lượng tử được gọi là hiệu ứng đường hầm, họ đã ghi lại các electron vượt qua rào cản vật lý gần như ngay lập tức, một kỳ tích định nghĩa lại giới hạn tiềm năng của sức mạnh xử lý máy tính.
(1) Graphene: là một dạng của carbon, là một vật liệu mới cứng nhất thế giới giúp ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong các lĩnh vực cuộc sống.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications nêu cách thức của kỹ thuật này có thể dẫn đến tốc độ xử lý ở mức petahertz – nhanh hơn 1.000 lần so với chip máy tính.

Ông Mohammed Hassan, Phó Giáo sư vật lý và khoa học quang học, đã nói rằng: “Gửi dữ liệu với tốc độ đó có thể cách mạng hóa máy tính”. Phó Giáo sư Mohammed từ lâu đã theo đuổi công nghệ máy tính dựa trên ánh sáng và trước đây đã dẫn đầu dự án phát triển kính hiển vi điện tử nhanh nhất thế giới.

Phó Giáo sư Mohammed chia sẻ: “Chúng ta đã trải qua một bước tiến lớn trong quá trình phát triển các công nghệ như phần mềm công nghệ trí tuệ nhân tạo, nhưng tốc độ phát triển phần cứng không nhanh như vậy. Nhưng, bằng cách dựa vào khám phá về máy tính lượng tử, chúng ta có thể phát triển phần cứng phù hợp với cuộc cách mạng hiện tại trong phần mềm công nghệ thông tin. Máy tính siêu nhanh sẽ hỗ trợ rất nhiều cho các khám phá trong nghiên cứu không gian, hóa học, chăm sóc sức khỏe và nhiều lĩnh vực khác”.

Phó Giáo sư Mohammed đã làm việc cùng với các đồng nghiệp tại đại học Arizona là ông Nikolay Golubev, một trợ lý giáo sư vật lý; ông Mohamed Sennary, một nghiên cứu sinh chuyên ngành quang học và vật lý; ông Jalil Shah, một học giả sau tiến sĩ về vật lý; và ông Mingrui Yuan, một nghiên cứu sinh chuyên ngành quang học. Họ đã tham gia cùng các đồng nghiệp từ Phòng thí nghiệm Động cơ phản lực của Viện Công nghệ California (California Institute) và Đại học Ludwig Maximilian (Ludwig Maximilian University) tại thành phố Munich ở CHLB Đức.

Nhóm các nhà khoa học ban đầu nghiên cứu độ dẫn điện của các mẫu graphene đã biến đổi, một vật liệu bao gồm một lớp nguyên tử carbon. Khi tia laser chiếu vào graphene, năng lượng của tia laser kích hoạt các electron trong vật liệu, khiến chúng di chuyển và hình thành dòng điện.

Đôi khi, các dòng điện này triệt tiêu lẫn nhau. Phó Giáo sư Mohammed cho biết điều này xảy ra vì sóng năng lượng của tia laser di chuyển lên xuống, tạo ra các dòng điện bằng nhau và ngược chiều ở cả hai bên của graphene. Do cấu trúc nguyên tử đối xứng của graphene, các dòng điện này phản chiếu lẫn nhau và triệt tiêu lẫn nhau, không để lại dòng điện nào có thể phát hiện được.

Nhưng nếu một electron đơn lẻ có thể trượt qua graphene, và hành trình của nó có thể được ghi lại và theo dõi theo thời gian thực thì sao? “Đường hầm” ngay lập tức xuất hiện đó là kết quả bất ngờ của nhóm nghiên cứu khi sửa đổi các mẫu graphene khác nhau.

Phó Giáo sư Mohammed đã nói rằng: “Đó là điều tôi thích nhất về khoa học: khám phá đến từ những điều không mong đợi xảy ra. Khi vào phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu luôn dự đoán được điều gì sẽ xảy ra – nhưng vẻ đẹp thực sự của khoa học là những điều nhỏ xảy ra, khiến họ muốn tìm hiểu thêm. Khi chúng tôi nhận ra đã đạt được hiệu ứng đường hầm này, chúng tôi cần tìm hiểu thêm.”

Sử dụng một bóng bán dẫn quang graphene có sẵn trên thị trường đã được cải tiến để đưa vào một lớp silicon đặc biệt, các nhà nghiên cứu đã sử dụng tia laser bật và tắt ở tốc độ 638 atto giây để tạo ra điều mà Phó Giáo sư Mohammed gọi là “the world’s fastest petahertz quantum transistor” (tạm dịch là ‘bóng bán dẫn lượng tử petahertz nhanh nhất thế giới’).

Transistor – bóng bán dẫn là một thiết bị hoạt động như một công tắc điện tử hoặc bộ khuếch đại để điều khiển dòng điện giữa hai điểm và đóng vai trò cơ bản trong sự phát triển của ngành điện tử hiện đại.

Phó Giáo sư Mohammed chia sẻ: “Để tham khảo, một atto giây đơn lẻ là một phần nghìn tỷ giây. Điều đó có nghĩa là thành tựu này đại diện cho một bước tiến lớn trong quá trình phát triển công nghệ máy tính siêu nhanh bằng cách hiện thực hóa một bóng bán dẫn tốc độ petahertz”.

Trong khi một số tiến bộ khoa học diễn ra trong điều kiện nghiêm ngặt, bao gồm nhiệt độ và áp suất, thì bóng bán dẫn mới này lại hoạt động trong điều kiện môi trường bình thường – mở đường cho việc thương mại hóa và sử dụng trong các thiết bị điện tử dân dụng.

Phó Giáo sư Mohammed đã làm việc với bộ phận Tech Launch Arizona thuộc Đại học Arizona, để thương mại hóa các phát minh từ cuộc nghiên cứu nhằm cấp bằng sáng chế và tiếp thị các sáng kiến. Với phát minh ban đầu sử dụng một tia laser chuyên dụng, các nhà nghiên cứu tiếp tục phát triển một bóng bán dẫn tương thích với các thiết bị có sẵn trên thị trường.

Phó Giáo sư Mohammed nói thêm: “Hy vọng chúng tôi có thể hợp tác với các đối tác trong ngành để hiện thực hóa bóng bán dẫn tốc độ petahertz này trên một vi mạch. Đại học Arizona đã nổi tiếng với kính hiển vi điện tử nhanh nhất thế giới và chúng tôi cũng muốn được biết đến với bóng bán dẫn tốc độ petahertz đầu tiên”.

Để xem các tin bài khác về “Bóng bán dẫn”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online