Khi nói đến tốc độ, máy tính ngày nay đã đạt đến giới hạn vật lý của chúng. Các thiết bị bán dẫn thường hoạt động ở tần số sử dụng tối đa là vài gigahertz – tương ứng với hàng tỷ phép tính mỗi giây. Do đó, các hệ thống hiện đại dựa vào một số chip để phân chia các tác vụ tính toán vì tốc độ của từng chip không thể tăng thêm nữa. Tuy nhiên, nếu ánh sáng (photon) được sử dụng thay cho điện (electron) trong chip máy tính, chúng có thể nhanh hơn tới 1.000 lần.
Hình ảnh một ăng-ten quang học tiếp xúc điện (bên trái) và sự phân bố cơ học lượng tử của các electron bề mặt của nó. Phân bố chuẩn được hiển thị màu vàng, trong khi sự thay đổi do điện áp được áp dụng được hiển thị màu đỏ.
Bộ cộng hưởng plasmonic, còn được gọi là “antennas for light” (tạm dịch là ‘ăng-ten cho ánh sáng’), là một cách đầy hứa hẹn để đạt được bước nhảy vọt về tốc độ này. Đây là những cấu trúc kim loại có kích thước nanomet (1) trong đó ánh sáng và electron tương tác. Tùy thuộc vào hình dạng, chúng có thể tương tác với các tần số ánh sáng khác nhau. (1) Nanomet (nm): 1 nm = 1.10−9 m.
Tiến sĩ Thorsten Feichtner, nhà vật lý tại đại học Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) ở bang Bavaria (CHLB Đức) cho biết: “Vấn đề đặt ra là các bộ cộng hưởng plasmon vẫn chưa thể được điều chế hiệu quả, như trường hợp của bóng bán dẫn trong các thiết bị điện tử thông thường. Điều này cản trở sự phát triển của các công tắc dựa trên ánh sáng nhanh”.
Ăng-ten quang tích điện: Đại học Würzburg mở ra hướng đi mới Một nhóm nghiên cứu của đại học JMU hợp tác với đại học Nam Đan Mạch – SDU (Southern Denmark University) tại thành phố Odense (Đan Mạch) đã có bước tiến đáng kể trong việc chế tạo ăng-ten quang học: Nhóm đã thành công điều khiển bằng điện ăng-ten quang học, mở đường cho plasmonics hoạt động cực nhanh và do đó chip máy tính nhanh hơn đáng kể. Các thí nghiệm đã được công bố trên tạp chí Science Advances.
Thay vì cố gắng thay đổi toàn bộ bộ cộng hưởng, nhóm nghiên cứu tập trung vào việc thay đổi các đặc tính bề mặt của nó. Bước đột phá này đạt được bằng cách tiếp xúc điện với một bộ cộng hưởng duy nhất, một thanh nano làm bằng vàng – một ý tưởng đơn giản về mặt khái niệm, nhưng chỉ có thể hiện thực hóa được với sự trợ giúp của quá trình chế tạo nano tinh vi dựa trên chùm ion heli và tinh thể nano vàng. Phương pháp chế tạo độc đáo này đã được thiết lập tại khoa vật lý thực nghiệm – Experimental Physics của đại học JMU dưới sự chỉ đạo của Giáo sư Bert Hecht. Các kỹ thuật đo lường tinh vi với bộ khuếch đại khóa đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện các hiệu ứng nhỏ nhưng đáng kể trên bề mặt của bộ cộng hưởng.
Trưởng nhóm nghiên cứu, Tiến sĩ Thorsten Feichtner cho biết, “Hiệu ứng mà chúng tôi đang sử dụng có thể so sánh với nguyên lý của lồng Faraday. Cũng giống như các electron trong một chiếc ô tô bị sét đánh tập trung ở bên ngoài và những người ngồi bên trong được an toàn, các electron bổ sung trên bề mặt ảnh hưởng đến các đặc tính quang học của bộ cộng hưởng.”
Hiệu ứng lượng tử đáng ngạc nhiên Cho đến nay, ăng-ten quang học hầu như luôn được mô tả theo cách cổ điển: các electron của kim loại chỉ dừng lại ở rìa của hạt nano, giống như nước ở tường cảng biển. Tuy nhiên, các phép đo do các nhà khoa học tại đại học Würzburg thực hiện đã tiết lộ những thay đổi trong cộng hưởng mà không thể giải thích theo thuật ngữ cổ điển: các electron ‘bôi’ qua ranh giới giữa kim loại và không khí, tạo ra sự chuyển tiếp mềm mại, có độ dốc, tương tự như một bãi biển đầy cát tiếp giáp với biển.
Để giải thích những hiệu ứng lượng tử này, các nhà lý thuyết tại đại học SDU Odense đã phát triển một mô hình bán cổ điển. Nó kết hợp các đặc tính lượng tử vào một tham số bề mặt để các phép tính có thể được thực hiện bằng các phương pháp cổ điển. Nhà vật lý Luka Zurak của đại học JMU, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, nói rằng: “Bằng cách làm nhiễu các hàm phản ứng của bề mặt, chúng tôi kết hợp các hiệu ứng cổ điển và lượng tử, tạo ra một khuôn khổ thống nhất giúp chúng tôi hiểu rõ hơn về các hiệu ứng bề mặt”.
Lĩnh vực nghiên cứu mới có tiềm năng lớn Mô hình mới có thể tái tạo các thí nghiệm, nhưng hiện tại vẫn chưa chính xác rõ hiệu ứng lượng tử nào trong số nhiều hiệu ứng lượng tử có liên quan đến bề mặt kim loại. Tiến sĩ Thorsten Feichtner nói rằng: “Nhưng với nghiên cứu này, lần đầu tiên có thể thiết kế cụ thể các ăng-ten mới và loại trừ hoặc khuếch đại các hiệu ứng lượng tử riêng lẻ”.
Về lâu dài, các nhà nghiên cứu hình dung ra nhiều ứng dụng hơn nữa: các bộ cộng hưởng nhỏ hơn hứa hẹn các bộ điều biến quang học có hiệu suất cao, có thể được sử dụng về mặt công nghệ. Ngoài ra, ảnh hưởng của các electron bề mặt trong các quá trình xúc tác cũng có thể được nghiên cứu với hệ thống được trình bày. Điều này sẽ cung cấp những hiểu biết mới về công nghệ chuyển đổi năng lượng và lưu trữ năng lượng.
Để xem các tin bài khác về “Chip máy tính”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
