Bước ngoặt mới cho thiết bị điện tử của tương lai
ÚC – Hãy tưởng tượng một tương lai mà điện thoại, máy tính hoặc thậm chí một thiết bị đeo có kích thước nhỏ, có thể suy nghĩ và học hỏi như bộ não của con người – xử lý thông tin nhanh hơn và thông minh hơn trong khi sử dụng ít năng lượng hơn.
Một phương pháp đột phá được phát triển tại Đại học Flinders (Flinders University) và Đại học UNSW Sydney (University of New South Wales) đã biến ý tưởng này thành hiện thực, bằng cách “xoắn” điện một vách miền sắt điện (ferroelectricity) (1) nano đơn lẻ.
(1) Sắt điện: là hiện tượng xảy ra ở một số chất điện môi có độ phân cực điện tự phát ngay cả khi không có điện trường ngoài, và do đó phản ứng mạnh dưới tác dụng của điện trường ngoài.
Các vách miền gần như vô hình, ranh giới cực kỳ nhỏ (từ 1-10 nm) tự phát sinh, hoặc được đưa vào, hoặc tự xóa vách miền bên trong các tinh thể cách điện đặc biệt, được gọi là “ferroelectric”. Các vách miền bên trong các tinh thể này tách biệt với các vùng có hướng điện tích liên kết khác.
Tiến sĩ Pankaj Sharma, giảng viên cao cấp về vật lý tại đại học Flinders, tác giả chính một bài báo của Hiệp hội Hóa học Mỹ (ACS – American Chemical Society), đã cho biết rằng: Quan trọng hơn, những ranh giới nhỏ này, mặc dù được nhúng trong các tinh thể cách điện, có thể hoạt động như các kênh điều chỉnh dòng electron, và do đó có khả năng lưu trữ và xử lý thông tin giống như trong bộ não của con người.
Tại sao điều này lại quan trọng? Các nhà nghiên cứu cho biết các thiết bị mô phỏng bộ não của con người cho phép xử lý nhanh hơn một lượng thông tin khổng lồ, trong khi lại sử dụng ít năng lượng hơn nhiều so với máy tính kỹ thuật số hiện có, đặc biệt là đối với các tác vụ như nhận dạng hình ảnh và giọng nói.
Tiến sĩ Sharma đã nói rằng: “Với thiết kế mới này, các vách miền sắt điện trong vật liệu ferroelectric tinh thể này sẵn sàng cung cấp năng lượng cho thế hệ thiết bị bộ nhớ mới, đưa chúng ta đến gần hơn với các thiết bị điện tử có tốc độ xử lý nhanh hơn, xanh hơn và thông minh hơn. Kết quả khẳng định rằng, các vách miền sắt điện cho các ứng dụng điện toán về bộ nhớ và hình thái thần kinh, đã lấy ý tưởng từ bộ não của con người, dựa trên các thiết bị bằng vật liệu ferroelectric tích hợp.”
Tiến sĩ Sharma nói tiếp: “Trong nghiên cứu của chúng tôi, một vách miền sắt điện đơn đã được đưa vào và thiết kế có kiểm soát để mô phỏng hành vi của memristor. Bằng cách áp các trường điện, chúng tôi cẩn thận thao tác hình dạng và vị trí của vách đơn này, khiến nó uốn cong. Chuyển động có kiểm soát này dẫn đến những thay đổi trong các đặc tính điện tử của vách miền, mở khóa khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu ở các cấp độ khác nhau.”
(3) Memristor (memory resistor): tương ứng với phần tử mạch cơ bản thứ 4 trong kỹ thuật điện tử, điện trở liên kết, tụ điện và cảm điện. Theo nghiên cứu thì memristor có thể thực hiện các phép logic và điều này mở ra khả năng một ngày nào đó, máy tính có thể thi hành công việc trực tiếp bằng các chip nhớ, thay vì phụ thuộc vào bộ xử lý trung tâm CPU.
Nghiên cứu mới đã cho thấy cách mà các vách miền sắt điện nằm giữa hai thiết bị đầu cuối (xem hình bên dưới) có thể hoạt động như “memristor” – thiết bị lưu trữ thông tin ở nhiều cấp độ khác nhau và ghi nhớ lịch sử hoạt động điện của thông tin đó – tương tự như các khớp thần kinh (2) trong não người.
(2) Khớp thần kinh: là điểm tiếp xúc giữa hai tế bào thần kinh, hoặc giữa tế bào thần kinh và tế bào cơ.
Hình ảnh một vách miền sắt điện đơn của thiết bị memristor. Bên trái – khoảng cách giữa các điện cực được bao quanh bởi một vách miền đơn, được hiển thị bằng mũi tên. Bên phải – đặc điểm di chuyển điện tử của vách miền và thiết bị.
Đồng tác giả Giáo sư Jan Seidel thuộc đại học UNSW đã nói rằng: “Chìa khóa nằm ở sự tương tác giữa độ cố định của bề mặt vách miền (nơi vách được cố định) và khả năng xoắn hoặc cong hơn bên trong vật liệu.
Giáo sư Jan nói tiếp: “Những vòng xoắn có kiểm soát này tạo ra một phổ các trạng thái điện tử, cho phép lưu trữ dữ liệu đa cấp, và loại bỏ nhu cầu đưa vào hoặc xóa vách miền nhiều lần, giúp thiết bị ổn định và đáng tin cậy hơn”.
Sử dụng kính hiển vi và mô hình hóa lý thuyết, nghiên cứu này đã khám phá bản chất vật lý đằng sau các chuyển đổi điện tử do cong vênh gây ra tại các vách miền.
Đồng tác giả Giáo sư Valanoor Nagarajan của đại học UNSW đã nói rằng: “Những thiết bị vách miền mới có khả năng tái tạo cao và tiết kiệm năng lượng này có thể cách mạng hóa điện toán mô phỏng não bộ, hệ thống sẽ định hình lại công nghệ trí tuệ nhân tạo và xử lý dữ liệu”.
Để xem các tin bài khác về “Memristor”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
