MỸ – Một nhóm nghiên cứu do Viện NanoSystems California (California NanoSystems Institute) tại Đại học UCLA (University of California, Los Angeles) (thuộc thành phố Los Angeles) dẫn đầu đã công bố một phương pháp mới để kết hợp các thành phần từ tính với chất bán dẫn – vốn là vật liệu quan trọng cho máy tính và các thiết bị điện tử khác.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng sản xuất vật liệu bán dẫn chứa tới 50% nguyên tử từ tính, trong khi các phương pháp hiện tại thường bị giới hạn ở nồng độ nguyên tử từ tính không quá 5%. Sử dụng quy trình của họ, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một thư viện gồm hơn 20 vật liệu mới kết hợp các nguyên tố từ tính như coban, mangan và sắt với nhiều loại chất bán dẫn khác nhau.
Nghiên cứu cho thấy chiến lược mới này có thể được sử dụng nhằm kết hợp các nguyên tố từ tính vào chất siêu dẫn, một loại vật liệu cho phép electron di chuyển qua chúng mà không có điện trở trong một số điều kiện nhất định. Các thí nghiệm khác đã bổ sung các nguyên tử từ tính vào chất cách điện tôpô, là những chất hoạt động như chất cách điện ở bên trong nhưng cho phép electron di chuyển tự do trên bề mặt.
Trong các thử nghiệm sử dụng kỹ thuật chụp ảnh nguyên tử và phép đo từ hóa, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy bằng chứng cho thấy vật liệu mới được tạo ra bằng chất siêu dẫn và chất cách điện tôpô vẫn duy trì được các đặc tính của chúng trong khi phát triển các tính chất từ mới.
Nỗ lực tích hợp từ tính vào chất bán dẫn đã kéo dài hàng thập kỷ, nhưng cho đến nay chỉ đạt được những thành công khiêm tốn. Các kỹ thuật hiện tại liên quan đến việc thay thế một phần nhỏ nguyên tử trong chất bán dẫn bằng các nguyên tử từ tính. Tuy nhiên, khi nồng độ vượt quá ngưỡng tới hạn khoảng 5%, các nguyên tử từ tính có xu hướng kết tụ lại, làm suy yếu khả năng kiểm soát các tính chất từ tính và điện tử của vật liệu.
Chất bán dẫn với các tính chất từ tính có thể điều khiển được sẽ là nền tảng cho spintronics (công nghệ hoạt động dựa trên tính chất spin của electron), tương tự như cách điện tử truyền thống hoạt động dựa trên điện tích của electron. Spin mang đến một phương pháp mới để lưu trữ và xử lý thông tin bằng cách sử dụng hướng quay của electron – “lên” hoặc “xuống” – giống như các thanh nam châm nhỏ chuyển động về phía bắc hoặc phía nam.
Spintronics đã được sử dụng trong các công nghệ như đầu đọc dữ liệu từ ổ cứng trong máy tính và các thiết bị khác. Không giống như các thiết bị điện tử thông thường, các linh kiện spintronic không sinh ra nhiệt dư thừa, một rào cản lớn đối với việc tích hợp nhiều năng lượng hơn vào các chip nhỏ hơn. Bằng cách khắc phục hạn chế này, spintronics có thể chế tạo các thiết bị trong tương lai mạnh mẽ hơn, nhỏ gọn hơn và tiết kiệm năng lượng hơn, hoặc những thiết bị có khả năng hoàn toàn mới.
Vật liệu từ tính được sản xuất bằng phương pháp mới này sẽ đóng vai trò là vật liệu nền tảng cho máy tính lượng tử trong tương lai. Những thiết bị này được kỳ vọng sẽ hoàn thành các phép tính hiện tại bất khả thi, mô phỏng các hiện tượng tự nhiên phức tạp ở mức độ mà máy tính truyền thống không thể đạt được, và cho phép bảo mật mạng không thể bị phá vỡ.
Kỹ thuật của các nhà nghiên cứu bao gồm việc xếp chồng xen kẽ các tấm bán dẫn mỏng cỡ nguyên tử và các lớp nguyên tử từ tính tự tổ chức. Kiến trúc phân lớp này cho phép mỗi thành phần duy trì sự sắp xếp có trật tự và các đặc tính nội tại của nó, đồng thời tạo ra các hiện tượng tập thể mới.
Sơ đồ cho thấy các lớp phân tử bán dẫn (xanh lá cây và vàng) và nguyên tử coban (đỏ) được tạo ra bằng phương pháp của đại học UCLA, cùng với hình ảnh kính hiển vi điện tử lập bản đồ các nguyên tử của vật liệu mới
Quy trình của nhóm nghiên cứu có thể cung cấp một nền tảng vật liệu đa năng cho các thiết bị spintronic trong tương lai, có thể làm được nhiều việc hơn so với các thiết bị điện tử hiện đại, với hiệu suất năng lượng vượt trội. Ví dụ, các hệ thống trí tuệ nhân tạo (AI) phổ biến hiện nay tiêu thụ một lượng điện và nước khổng lồ; trong khi đó, các máy tính tương lai triển khai spintronic có thể lưu trữ các ứng dụng công nghệ AI mạnh mẽ hơn, đồng thời tránh được lượng khí thải carbon và tiêu tốn các nguồn tài nguyên quan trọng.
Các vật liệu đặc biệt kết hợp các đặc tính bán dẫn hoặc siêu dẫn với từ tính, có thể giúp tăng nhiệt độ hoạt động của máy tính lượng tử – không giống như các hệ thống hiện tại yêu cầu điều kiện nhiệt độ thấp.
Được triển khai trong nghiên cứu cơ bản, các vật liệu mới kết hợp chất bán dẫn và từ tính có thể giúp cải thiện sự hiểu biết về các lực và tương tác cơ bản không chỉ làm nền tảng cho công nghệ tiên tiến mà còn bản chất tự nhiên.
Để xem các tin bài khác về “Chất bán dẫn”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
