MỸ – Các nhà nghiên cứu tại Đại học bang Michigan (Michigan State University) đã tìm ra cách sử dụng tia laser cực nhanh để làm rung lắc nguyên tử trong một vật liệu, việc này đã làm thay đổi tạm thời các đặc tính của vật liệu. Phương pháp này có thể là nền tảng trong việc phát triển các thiết bị điện tử hiệu suất cao nhỏ hơn, nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn trong tương lai, như điện thoại thông minh.

Ông Tyler Cocker, Phó giáo sư tại trường Khoa học Tự nhiên (College of Natural Science), và ông Jose L Mendoza-Cortes, Phó giáo sư tại trường Kỹ thuật và Khoa học Tự nhiên (Colleges of Engineering and Natural Science), đã kết hợp thực nghiệm và lý thuyết của cơ học lượng tử (quantum mechanics), nghiên cứu về cách thức hoạt động kỳ lạ của nguyên tử ở quy mô nhỏ, để thúc đẩy giới hạn của những gì vật liệu có thể làm nhằm cải tiến công nghệ điện tử.

 

Sử dụng vật liệu gọi là vonfram ditelluride, hay WTe2, được cấu tạo từ một lớp vonfram (1) kẹp giữa hai lớp tellurium, nhóm của Phó giáo sư Cocker đã tiến hành một loạt các thí nghiệm, trong đó họ đặt vật liệu này dưới một kính hiển vi chuyên dụng do họ chế tạo. Các kính hiển vi thông thường, được sử dụng để quan sát những thứ mà mắt con người khó nhìn thấy, như từng tế bào riêng lẻ. Nhưng đối với kính hiển vi quét đường hầm (STM – scanning tunnelling microscope) (2) của Phó giáo sư Cocker có thể quan sát từng nguyên tử trên bề mặt của vật liệu. Nó thực hiện điều này bằng cách di chuyển một đầu kim loại sắc nhọn trên bề mặt, để cảm nhận các nguyên tử thông qua tín hiệu điện, giống như việc đọc chữ nổi Braille (3).
(1) Vonfram: là kim loại nặng, có màu trắng bạc, rất cứng. Đây là một kim loại có tính dẫn điện và dẫn nhiệt tốt, độ bền và khả năng chống mài mòn rất cao.
(2) Kính hiển vi quét đường hầm: khác với kính hiển vi quang học, kính STM không dùng ánh sáng mà dùng hiệu ứng cơ học lượng tử để quan sát (chụp ảnh) từng nguyên tử.
(3) Chữ nổi Braille: là hệ thống chữ viết xúc giác được tạo ra cho người mù hoặc thị lực kém.

Khi quan sát các nguyên tử trên bề mặt vật liệu WTe2, Phó giáo sư Cocker và nhóm của ông đã sử dụng một tia laser siêu nhanh để tạo ra các xung ánh sáng terahertz di chuyển với tốc độ hàng trăm nghìn tỷ lần mỗi giây. Các xung terahertz này được tập trung vào đầu kim loại sắc nhọn. Tại mũi nhọn, cường độ của các xung được tăng lên, cho phép các nhà nghiên cứu làm rung chuyển lớp nguyên tử trên cùng ngay bên dưới đầu nhọn và nhẹ nhàng đẩy lớp đó ra khỏi các lớp còn lại bên dưới. Nó giống như một chồng giấy với tờ trên cùng hơi cong.

Khi các xung laser chiếu sáng đầu dò và vật liệu WTe2, lớp trên cùng của vật liệu lại hoạt động khác biệt, thể hiện các tính chất điện tử mới không được quan sát thấy khi tắt laser. Phó giáo sư Cocker và nhóm của ông nhận ra rằng các xung terahertz cùng với đầu dò có thể được sử dụng như một công tắc nano để tạm thời thay đổi các tính chất điện của vật liệu WTe2, từ cơ sở đó giúp nâng cấp thế hệ các thiết bị công nghệ điện tử tiếp theo. Kính hiển vi của Phó giáo sư Cocker thậm chí có thể quan sát các nguyên tử chuyển động trong quá trình này và chụp ảnh trạng thái ‘bật’ và ‘tắt’ độc đáo mà chúng tạo ra.

Từ trái sang phải: ông Kelly Climber, trợ lý giáo sư Jose L Mendoza-Cortes, hai nghiên cứu sinh Daniel Maldonado Lopez và Ismail Buliyaminu đang kiểm tra cáp mạng InfiniBand siêu tốc tại trung tâm điện toán hiệu suất cao (high-performance computing centre) của Viện Nghiên cứu An ninh mạng (ICER – Institute for Cyber-Enabled Research)

Phòng thí nghiệm của Phó giáo sư Mendoza-Cortes đã tính toán và phát hiện ra rằng các lớp của vật liệu WTe2 dịch chuyển 7 picomet (*) khi chúng dao động, điều này rất khó quan sát đối với kính hiển vi thông thường. Họ cũng xác nhận rằng tần số dao động của các nguyên tử giữa thí nghiệm và lý thuyết là trùng khớp, nhưng các phép tính lượng tử có thể cho biết chúng dao động theo hướng nào và với mức độ bao nhiêu.
(*) Picomet (pm): một picometre bằng một phần nghìn tỷ của một mét. 1pm = 10^(-12) mét

Daniel Maldonado-Lopez, sinh viên năm thứ tư tại phòng thí nghiệm của Phó giáo sư Mendoza-Cortes, chia sẻ: “Sự dao động này chỉ xảy ra ở lớp trên cùng, chứ không lan ra toàn bộ khối vật liệu. Điều này có thể được áp dụng để chế tạo các thiết bị điện tử có tốc độ nhanh hơn và kích thước nhỏ hơn.”

Phó giáo sư Cocker và Phó giáo sư Mendoza-Cortes hy vọng nghiên cứu này sẽ là nền tảng giúp phát triển việc sử dụng các vật liệu mới, với tốc độ nhanh hơn và hiệu quả năng lượng cao hơn cho điện thoại và công nghệ máy tính trong tương lai.

Dự án nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Photonics.

Để xem các tin bài khác về “Thiết bị điện tử”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online