Khám Phá Vật Liệu Có Thể Giúp Máy Tính và Smartphone Nhanh Hơn 1.000 Lần

Chúng ta đang sống trong thời đại mà mỗi giây đều được tối ưu hóa. Trong công việc, học tập hay giải trí, người dùng đều mong đợi hiệu suất tối đa từ các thiết bị của mình. Nhưng bất chấp những bước tiến vượt bậc về phần mềm và phần cứng, các thiết bị điện tử như máy tính và điện thoại thông minh vẫn vấp phải một rào cản không nhỏ, giới hạn vật lý của vật liệu bán dẫn, cụ thể là silicon.

Kể từ khi được thương mại hóa vào thế kỷ trước, silicon đã trở thành trụ cột cho ngành công nghiệp vi mạch. Tuy nhiên, với yêu cầu ngày càng khắt khe về tốc độ, khả năng xử lý, tiêu thụ điện năng và thu nhỏ kích thước, các nhà nghiên cứu buộc phải tìm kiếm những giải pháp đột phá, vượt ra ngoài khuôn khổ truyền thống. Và một trong những hướng đi đầy hứa hẹn là vật liệu lượng tử.

Mới đây, một nghiên cứu gây chấn động giới công nghệ đã hé lộ tiềm năng giúp máy tính và điện thoại đạt tốc độ xử lý nhanh hơn gấp 1.000 lần so với hiện tại thông qua một phương pháp kiểm soát vật liệu lượng tử bằng ánh sáng. Trong tâm điểm của nghiên cứu này là vật liệu 1T-TaS₂, vốn từng bị giới hạn ở điều kiện nhiệt độ cực lạnh, nay đã có thể hoạt động ổn định gần nhiệt độ phòng trong thời gian dài. Thành tựu này không chỉ mang ý nghĩa lý thuyết mà còn mở ra cánh cửa hiện thực hóa những thiết bị siêu tốc trong tương lai gần.

1. Cuộc cách mạng từ cấp độ nguyên tử

Để hiểu được tầm quan trọng của nghiên cứu này, chúng ta cần nhìn lại bản chất của vật liệu lượng tử và vì sao chúng lại là “ứng viên sáng giá” cho kỷ nguyên hậu silicon.

Khác với vật liệu thông thường, vật liệu lượng tử sở hữu các trạng thái điện tử đặc biệt, được kiểm soát bởi cơ học lượng tử, một lĩnh vực nghiên cứu hành vi của vật chất ở cấp độ hạ nguyên tử. Trong những vật liệu này, các electron không chỉ đơn thuần di chuyển tự do như trong kim loại hay bị khóa cứng như trong chất cách điện, mà còn có thể “điều chỉnh” hành vi của mình một cách kỳ lạ: trở thành dẫn điện hoặc cách điện tùy theo điều kiện môi trường.

Đây chính là điều xảy ra với vật liệu 1T-TaS₂, một hợp chất thuộc nhóm dichalcogenide kim loại chuyển tiếp (TMD), nơi các electron hình thành nên mô hình gọi là “sóng mật độ điện tích” (Charge Density Wave – CDW). Tùy thuộc vào sự sắp xếp và tần suất của các CDW, vật liệu này có thể thể hiện tính dẫn điện (kim loại) hoặc cách điện. Khả năng thay đổi trạng thái này khiến nó trở thành đối tượng nghiên cứu lý tưởng để ứng dụng trong các thiết bị điện tử có khả năng chuyển đổi linh hoạt, nhanh chóng.

2. Hai yếu tố nhiệt và ánh sáng để điều khiển vật liệu

Trong quá khứ, việc chuyển đổi trạng thái của 1T-TaS₂ chỉ có thể xảy ra ở nhiệt độ cực thấp, gần với độ không tuyệt đối. Tuy nhiên, nghiên cứu mới đây đã thay đổi cuộc chơi. Thay vì chỉ dựa vào nhiệt độ, các nhà khoa học đã kết hợp phương pháp điều khiển nhiệt độ tinh vi với ánh sáng để kiểm soát vật liệu này một cách hiệu quả và bền vững.

Phương pháp làm nguội nhiệt được nhóm nghiên cứu phát triển không phải là quá trình làm mát thông thường. Nó yêu cầu sự chính xác tuyệt đối trong việc nung nóng vật liệu đến nhiệt độ nhất định và sau đó làm nguội với tốc độ được điều chỉnh chính xác. Quá trình này cho phép các electron trong 1T-TaS₂ hình thành mô hình CDW theo dạng mà các trạng thái dẫn điện được “khóa lại” và ổn định tại nhiệt độ gần phòng, một kỳ tích mà trước đây chỉ tồn tại trong vài phần giây.

Điều đáng chú ý hơn, là nhóm nghiên cứu không dừng lại ở việc điều khiển nhiệt. Họ đã sử dụng xung ánh sáng để "kích hoạt" sự chuyển đổi trạng thái điện tử, tương tự như cách bóng bán dẫn hoạt động nhưng với tốc độ nhanh hơn hàng triệu lần. Sự kết hợp giữa ánh sáng và mô hình CDW đã tạo ra một cách điều khiển mới, không cần nhiều lớp vật liệu, không cần mạch giao diện phức tạp, chỉ một vật liệu duy nhất và ánh sáng. Đây là điều chưa từng có trong công nghệ điện tử hiện đại.

3. Từ gigahertz đến terahertz, bước nhảy lượng tử về tốc độ

Một trong những chỉ số được dùng để đo tốc độ xử lý của các thiết bị điện tử là tần số thường được tính bằng đơn vị gigahertz (GHz). Các bộ vi xử lý cao cấp hiện nay hoạt động ở khoảng 3–5 GHz, nghĩa là chúng thực hiện được khoảng 3–5 tỷ chu kỳ mỗi giây. Nhưng khi nghiên cứu về 1T-TaS₂ được hoàn thiện, tần số xử lý tiềm năng có thể lên tới terahertz (THz) tương đương hàng nghìn tỷ chu kỳ mỗi giây.

Đây không đơn thuần là bước nhảy về mặt con số, mà là cuộc cách mạng về khả năng xử lý dữ liệu. Với công nghệ này, mọi thao tác tính toán, lưu trữ, truyền tải thông tin có thể được thực hiện gần như tức thì. Những tiến trình từng mất vài giây có thể chỉ còn vài phần triệu của giây. Trí tuệ nhân tạo, mô phỏng 3D thời gian thực, truyền tải video 16K, thậm chí cả điện toán lượng tử đều sẽ được hưởng lợi trực tiếp từ sự thay đổi này.

Giáo sư Gregory Fiete, nhà vật lý tại Đại học Northeastern, chia sẻ: “Bất kỳ ai từng sử dụng máy tính đều có lúc ước gì tốc độ tải dữ liệu nhanh hơn. Chúng tôi đang sử dụng ánh sáng để kiểm soát các đặc tính vật liệu ở tốc độ nhanh nhất có thể mà vật lý cho phép.” Lời tuyên bố này không chỉ mang tính học thuật, mà còn đặt nền móng cho một thế hệ thiết bị mới.

4. Vượt khỏi giới hạn của silicon 

Một trong những điểm yếu cố hữu của silicon là sự phức tạp trong cấu trúc chế tạo. Để tạo ra một bóng bán dẫn, người ta cần nhiều lớp vật liệu, nhiều công đoạn chế tác và không gian để tích hợp mạch điều khiển. Điều này không chỉ làm tăng chi phí sản xuất mà còn giới hạn khả năng thu nhỏ và hiệu suất tổng thể.

Nghiên cứu với 1T-TaS₂ cho thấy điều ngược lại: chỉ cần một vật liệu duy nhất, hoạt động như bóng bán dẫn nhưng được điều khiển bằng ánh sáng. Không còn cần hàng loạt lớp vật liệu bán dẫn, không cần mạch điện phức tạp, sự tối giản này mở ra hướng đi mới cho các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo. Không những vậy, cách điều khiển này còn hiệu quả trong phạm vi nhiệt độ rộng hơn, nghĩa là các thiết bị có thể hoạt động ổn định trong điều kiện thông thường, kể cả khi được tích hợp vào điện thoại thông minh, laptop, thiết bị IoT, hay hệ thống máy chủ quy mô lớn.

Giáo sư Fiete nhấn mạnh: “Chúng tôi đã loại bỏ một trong những thách thức kỹ thuật lớn nhất bằng cách tích hợp tất cả vào một vật liệu duy nhất và thay thế giao diện bằng ánh sáng.” Điều này không chỉ đơn thuần là cải tiến, mà là sự tái định hình toàn bộ cách mà chúng ta xây dựng thiết bị điện tử.

5. Tương lai nào cho máy tính và điện thoại với tốc độ gấp 1.000 lần?

Nếu công nghệ này được thương mại hóa thành công, chúng ta sẽ chứng kiến sự thay đổi sâu sắc trong hầu hết các lĩnh vực công nghệ:

• Thiết bị di động: Những chiếc điện thoại sẽ xử lý tác vụ nặng, chỉnh sửa video, AI, game đồ họa cao… chỉ trong tích tắc, đồng thời tiết kiệm pin hơn do hiệu suất vượt trội.

• Máy tính cá nhân: Máy tính sẽ không còn bị giới hạn bởi bộ xử lý hiện tại. Việc xử lý dữ liệu lớn, AI, học máy, mô phỏng vật lý… sẽ trở nên tức thì, chính xác và mượt mà.

• Trung tâm dữ liệu và server: Việc tối ưu hiệu suất trên mỗi đơn vị diện tích chip sẽ giúp giảm tải nhiệt, tiết kiệm điện và chi phí bảo trì đồng nghĩa với khả năng mở rộng quy mô mạnh mẽ hơn.

• Điện toán lượng tử và AI: Những mô hình hiện tại vốn cần GPU hiệu suất cao hoặc chip AI chuyên dụng có thể chạy trực tiếp trên chip lượng tử vật liệu mới, với tốc độ chưa từng có.

6. Kết luận

Nhiều người vẫn đặt niềm tin vào điện toán lượng tử như lời giải cho tương lai nhưng thực tế cho thấy rằng không chỉ điện toán lượng tử mà đổi mới vật liệu mới chính là nền tảng cần thiết. Sự đột phá đến từ vật liệu 1T-TaS₂ không đơn thuần là nghiên cứu học thuật, mà là bước chân đầu tiên trên hành trình biến các giới hạn trở thành điểm xuất phát cho một kỷ nguyên công nghệ hoàn toàn mới.

Chìa khóa để máy tính và điện thoại nhanh hơn 1.000 lần không còn là giấc mơ. Nó đã hiện hữu trong các phòng thí nghiệm, đã được thử nghiệm, chứng minh và sẵn sàng cho tương lai. Điều còn lại chỉ là thời gian để các nhà sản xuất, kỹ sư và công ty công nghệ bắt đầu hiện thực hóa tiềm năng này trên quy mô toàn cầu.

Và khi điều đó xảy ra, chính chúng ta sẽ là người đầu tiên cảm nhận được sự thay đổi ấy, từ từng cú chạm màn hình, từng dòng mã lệnh, đến từng giây truyền tải dữ liệu với tốc độ như ánh sáng.