MỸ – Các nhà nghiên cứu tại Đại học California (UCR – University of California, tại thành phố Riverside), đã khám phá cách điều khiển dòng điện qua silicon tinh thể, một vật liệu cốt lõi của công nghệ hiện đại. Khám phá này có thể giúp phát triển những thiết bị có kích thước nhỏ hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn bằng cách khai thác hành vi của electron lượng tử.
Ở quy mô lượng tử, electron hoạt động giống dạng sóng hơn là hạt. Và giờ đây, các nhà khoa học đã chứng minh rằng cấu trúc đối xứng của các phân tử silicon có thể được tinh chỉnh để tạo ra, hoặc ngăn chặn, một hiện tượng được gọi là giao thoa triệt tiêu. Hiệu ứng này có thể “bật” hoặc “tắt” độ dẫn điện, hoạt động như một công tắc ở quy mô phân tử.
Ông Tim Su, Giáo sư hóa học tại đại học UCR, người dẫn đầu nghiên cứu, chia sẻ: “Chúng tôi đã phát hiện ra rằng khi các cấu trúc silicon nhỏ được định hình với tính đối xứng cao, chúng có thể triệt tiêu dòng electron giống như tai nghe chống ồn triệt tiêu âm thanh. Điều thú vị là chúng tôi có thể kiểm soát được nó.”
Được công bố trên Tạp chí của Hiệp hội Hóa học Hoa Kỳ (Journal of the American Chemical Society), nghiên cứu này đã mở ra bước đột phá trong việc tìm hiểu cách điện di chuyển qua silicon ở quy mô nhỏ nhất, từng nguyên tử một.
Cấu trúc hóa học của silic khối, với khối cấu tạo đơn giản nhất của chất rắn được đánh dấu màu xanh lam
Phát hiện này được đưa ra trong tình hình ngành công nghệ đang gặp khó khăn trong việc thu nhỏ chip silicon thông thường. Các phương pháp truyền thống dựa vào việc khắc các mạch cực nhỏ vào các tấm wafer silicon hoặc pha tạp, tức là thêm một lượng nhỏ các nguyên tố khác để kiểm soát cách silicon dẫn điện.
Những kỹ thuật này đã hoạt động tốt trong nhiều thập kỷ, nhưng chúng đang đến giới hạn vật lý: chỉ có thể khắc nhỏ đến một mức nào đó và việc thêm các nguyên tử không thể giải quyết được các vấn đề do hiệu ứng lượng tử gây ra.
Ngược lại, Giáo sư Tim Su và nhóm của ông đã sử dụng hóa học để xây dựng các phân tử silicon từ nền tảng, thay vì cắt gọt chúng. Phương pháp ‘bottom-up’ (tạm dịch là ‘từ dưới lên’) này cho phép họ kiểm soát chính xác cách sắp xếp các nguyên tử, và quan trọng hơn, kiểm soát cách các electron di chuyển qua cấu trúc silicon của chúng.
Silic là nguyên tố phổ biến thứ hai trong lớp vỏ trái đất và là nền tảng của máy tính. Tuy nhiên, khi các thiết bị thu nhỏ lại, những hiệu ứng lượng tử khó lường như electron rò rỉ qua các rào cản cách điện, khiến cho việc quản lý các thiết kế truyền thống trở nên phức tạp hơn. Nghiên cứu mới này cho thấy các kỹ sư có thể chấp nhận, thay vì đối phó với hành vi lượng tử này.
Giáo sư Tim Su chia sẻ: “Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy tính đối xứng phân tử trong silicon dẫn đến hiệu ứng giao thoa kiểm soát cách các electron di chuyển qua nó. Và chúng tôi có thể bật hoặc tắt sự giao thoa đó bằng cách kiểm soát cách các điện cực thẳng hàng với phân tử của chúng tôi.”
Các điện cực dọc theo đường dẫn màu xanh tương ứng với trạng thái dẫn điện cao. Với các điện cực dọc theo đường dẫn màu đỏ, trạng thái cách điện được quan sát thấy
Mặc dù ý tưởng sử dụng giao thoa lượng tử trong điện tử không phải là mới, nhưng đây là một trong những chứng minh đầu tiên về hiệu ứng này trong silicon ba chiều giống kim cương – cùng cấu trúc được sử dụng trong các chip thương mại.
Ngoài các công tắc siêu nhỏ, những phát hiện này có thể hỗ trợ cho việc phát triển các thiết bị nhiệt điện chuyển đổi nhiệt phát thải thành điện hoặc thậm chí là các thành phần máy tính lượng tử được chế tạo từ các vật liệu thông thường.
Giáo sư Tim Su nói tiếp: “Điều này mang đến cho chúng ta một cách tiếp cận hoàn toàn mới về chuyển mạch và vận chuyển điện tích. Nó không chỉ là một sự điều chỉnh. Nó là một sự xem xét lại những gì silicon có thể làm được.”
Để xem các tin bài khác về “Silicon”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
