Hai công trình nghiên cứu vừa được công bố tại Mỹ và Trung Quốc mở ra kỷ nguyên mới cho ngành điện tử, với tốc độ xử lý nhanh gấp 1.000 lần hiện nay và pin linh hoạt, thân thiện môi trường – đặc biệt phù hợp cho smartphone màn hình gập và thiết bị đeo thế hệ mới.

Các nhà khoa học tại Đại học Northeastern (Mỹ) vừa công bố bước đột phá quan trọng trong kiểm soát vật liệu lượng tử, giúp máy tính và điện thoại đạt tốc độ xử lý nhanh gấp 1.000 lần so với công nghệ chip silicon hiện tại. Cốt lõi của nghiên cứu là vật liệu 1T-TaS₂ – một loại vật liệu lượng tử đặc biệt có khả năng chuyển đổi linh hoạt giữa hai trạng thái: dẫn điện như kim loại hoặc cách điện như chất bán dẫn.

Trước đây, trạng thái dẫn điện chỉ tồn tại ở nhiệt độ cực thấp và trong thời gian ngắn, khiến vật liệu này không thể ứng dụng rộng rãi trong thiết bị điện tử. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã tìm ra cách duy trì trạng thái kim loại ổn định ở gần nhiệt độ phòng trong nhiều tháng.

Phương pháp được sử dụng là nung nóng và làm nguội nhanh vật liệu với tốc độ khoảng 120 Kelvin/giây – một kỹ thuật gọi là quenching nhiệt. Điều này giúp vật liệu vượt ngưỡng chuyển pha, tạo ra trạng thái lai giữa dẫn điện và cách điện.

Đặc biệt, nhóm còn sử dụng ánh sáng để kích hoạt sự chuyển đổi cấu trúc vật liệu. Khi được chiếu sáng, vật liệu thay đổi cấu trúc sóng mật độ điện tích gần như tức thì, giữ cho trạng thái kim loại tiếp tục ổn định. Giáo sư Gregory Fiete, chuyên gia vật lý tại Đại học Northeastern cho biết: “Chúng tôi đang kiểm soát đặc tính vật liệu với tốc độ nhanh nhất mà vật lý cho phép”. Việc sử dụng ánh sáng thay cho các lớp vật liệu như trong bóng bán dẫn truyền thống giúp đơn giản hóa cấu trúc vi mạch, mở ra cơ hội thiết kế thiết bị điện tử thế hệ mới.

Với công nghệ chip silicon hiện tại, tần số xử lý đạt mức gigahertz. Với phát hiện mới, các nhà khoa học tin rằng có thể nâng lên mức terahertz – nhanh gấp 1.000 lần. Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng trong thời đại dữ liệu lớn và xử lý thời gian thực như trí tuệ nhân tạo (AI), thực tế ảo (VR), tính toán lượng tử hay mô phỏng khoa học.

Công trình còn chỉ ra, khi chiếu ánh sáng ở các tần số cụ thể, các sóng dao động trong mạng tinh thể sẽ phản ứng theo cách tương ứng: 2,5 terahertz phản ánh thay đổi biên độ sóng mật độ điện tích, 1,3 terahertz liên quan đến sự trượt lớp vật liệu ở cấp độ nguyên tử.

Điều chỉnh mới đối với pin ion kẽm giúp smartphone màn hình gập có pin bền hơn, rẻ hơn và thân thiện với môi trường.

Nghiên cứu được đăng trên tạp chí Nature Physics, gọi trạng thái mới này là "kim loại ẩn" – vì bên ngoài vật liệu trông giống như cách điện nhưng bên trong vẫn cho phép dòng electron di chuyển nhanh chóng, nhờ các vùng dẫn điện nhỏ ẩn bên trong cấu trúc vật liệu.

Nhà nghiên cứu Alberto de la Torre - Trưởng nhóm cho biết, phương pháp quenching nhiệt có thể lập trình tức thì khả năng dẫn điện của vật liệu chỉ bằng ánh sáng, cho phép chế tạo các thiết bị vừa lưu trữ vừa xử lý dữ liệu trên cùng một vật liệu – điều chưa từng có trong công nghệ silicon.

Không chỉ vậy, khi kết hợp với các buồng cộng hưởng terahertz, vật liệu có thể thay đổi pha một cách chính xác và có kiểm soát, tương tự như cộng hưởng ánh sáng trong các thiết bị laser – nhưng ở cấp độ nguyên tử.

Song song đó, một nhóm nghiên cứu khác tại Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc cũng đang mở ra hướng đi mới cho các thiết bị cầm tay với giải pháp pin linh hoạt sử dụng vật liệu thân thiện môi trường. Nghiên cứu được đăng trên ấn bản quốc tế của tạp chí Angewandte Chemie, hướng đến thay thế các công nghệ pin truyền thống – đặc biệt là trong smartphone màn hình gập bằng pin ion kẽm sử dụng chất điện phân hydrogel từ urê và kẽm axetat.

Ưu điểm của hợp chất này là giá thành rẻ, bền, thân thiện môi trường. Tuy nhiên, do độ hòa tan kém của kẽm axetat có thể làm giảm hiệu suất pin, nhóm nghiên cứu đã áp dụng kỹ thuật “loại bỏ muối” để loại bỏ lớp vỏ hydrat hóa quanh chuỗi polymer, giúp cải thiện độ bền điện phân.

Nhà nghiên cứu Li Zhaoqian cho biết: “Phương pháp này cho phép pin chịu được các chu kỳ mạ - tách kẽm lặp lại và các ứng suất vật lý, tăng độ bền tổng thể đáng kể”.

Pin kẽm-ion được đánh giá là giải pháp thay thế bền vững hơn so với pin lithium-ion, vốn có chi phí cao và chứa chất gây ô nhiễm. Chúng đặc biệt phù hợp trong bối cảnh nhu cầu năng lượng sạch, tái tạo ngày càng cấp thiết để đối phó với ô nhiễm carbon và biến đổi khí hậu.

Theo nhóm nghiên cứu, với khả năng linh hoạt cao, pin mới có tiềm năng ứng dụng vào các thiết bị điện tử đeo, smartphone gập, thậm chí cả quần áo thông minh. Dù vẫn chưa phổ biến bằng pin lithium nhưng các cải tiến mới sẽ làm nổi bật lợi ích và giảm chi phí, thúc đẩy khả năng tích hợp vào nhiều thiết bị trong tương lai gần.

Nguồn: vietq.vn