Mỗi một bảng mạch đều chứa tới hàng triệu thứ mà chúng ta tạm gọi là những "công tắc nhỏ" có vai trò điều chỉnh dòng điện chạy qua. Việc nghiên cứu để hiểu sâu hơn về bản chất của những chiếc công tắc nhỏ bé này có thể mở ra cho các nhà khoa học về một hy vọng mới nhằm cải tiến máy tính hiện đại vượt qua giới hạn hiện nay.
Giờ đây các nhà khoa học đã có thể ghi lại những hình ảnh đầu tiên về quá trình các nguyên tử chuyển động bên trong quá trình vận hành của những công tắc nhỏ đó. Mặt khác, các nhà khoa học đã phát hiện ra một trạng thái tồn tại ngắn hạn trong những công tắc đó, họ mong rằng một ngày nào đó có thể khai thác được những năng lượng từ trạng thái đó, giúp cho các thiết bị có thể vận hành năng suất cao hơn đồng thời tiết kiệm năng lượng hơn.
"Đây là một nghiên cứu mang tính đột phá trong khoa học và công nghệ siêu tốc, nó đánh dấu lần đầu tiên các nhà khoa học sử dụng nhiễu xạ điện từ cực nhanh, có thể phát hiện ra các chuyển động nguyên tử nhỏ trong vật liệu bằng cách tán xạ một chùm điện tử mạnh ra khỏi mẫu vật, để quan sát thiết bị điện tử khi nó hoạt động", theo nhà khoa học Xijie Wang từ phòng thí nghiệm máy gia tốc Quốc gia SLAC của bộ Năng lượng, Đại học Stanford.
Khoảnh khắc ghi lại sự tuần hoàn kì diệu
Trong thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã thiết kế riêng các công tắc điện tử thu nhỏ được làm bằng vanadium dioxide, một vật liệu lượng tử nguyên mẫu có khả năng biến đổi qua lại giữa các trạng thái cách điện và dẫn điện gần nhiệt độ phòng có thể được sử dụng như một công tắc cho máy tính hiện đại trong tương lai.
Cách hoạt động của các công tắc nhỏ bên trong mạch điện tử
Vật liệu này có ứng dụng tính toán như một bộ não với khả năng tạo ra các xung điện tử giống như các xung thần kinh được kích hoạt trong não người.
Các nhà khoa học đã dùng các xung điện để chuyển đổi các công tắc này qua lại giữa các trạng thái cách điện và dẫn điện trong khi chụp lại hình ảnh nhanh chóng cho thấy những thay đổi ở các nguyên tử của chúng trong một phần một tỷ giây.
Những bức ảnh chụp siêu nhanh đó được chụp lại bằng máy nhiễu xạ điện tử siêu nhanh (MeV-UED) của đội ngũ nhà khoa học SLAC. Nhờ vào thiết bị này, các nhà khoa học đã phát hiện ra một trạng thái trung gian mới bên trong vật liệu, nó sinh ra khi vật liệu phản ứng với xung điện bằng cách chuyển từ trạng thái cách điện sang dẫn điện.
Nhóm nghiên cứu đã dùng xung điện (màu xanh lam) để tiến hành bật và tắt một số công tắc tùy chỉnh của chúng. Ảnh: phys
Mở ra cửa sổ chuyển động nguyên tử
Mặc dù trạng thái trung gian đó chỉ tồn tại trong vài phần triệu giây, nhưng nó được ổn định bởi những khiếm khuyết trong vật thể.
Để nghiên cứu kỹ hơn, nhóm nghiên cứu đang tìm cách để tạo ra những khiếm khuyết này trong vật thể để ổn định và kéo dài thời gian cho trạng thái mới này. Điều này sẽ cho phép họ tạo ra các thiết bị trong đó sự chuyển đổi có thể xảy ra mà không có bất kỳ chuyển động nguyên tử nào, giúp nó hoạt động năng suất và tiết kiệm năng lượng hơn.
"Nghiên cứu đã cung cấp những dữ liệu vô giá về các hiện tượng vi mô xảy ra trong quá trình hoạt động của thiết bị, đây là điều vô cùng quan trọng cho việc thiết kế các mô hình mạch trong tương lai", theo giáo sư tại Purdue, Shiram Ramanathan.
"Phương pháp giúp chúng ta theo dõi các thiết bị khi chúng hoạt động, mở ra một cửa sổ để xem cách mà các hạt nguyên tử di chuyển, cách tiếp cận này sẽ giải quyết được bài toán về nhu cầu sử dụng năng lượng khổng lồ trong tương lai", theo phát biểu của Aditya Sood - nhà nghiên cứu của SIMES.