Chế tạo mạch điện tử nhỏ nhất thế giới

Một nhóm nhà khoa học do Guillaume Gervais, thuộc Khoa Vật lý, Trường Đại học McGill, cùng Mike Lilly từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia dẫn đầu, vừa tạo ra một mạch điện tử cực kỳ nhỏ. Mạch mới gồm hai dây dẫn đặt cách nhau chỉ khoảng 150 nguyên tử, tương đương gần 15 nm, kích thước nhỏ đến mức khó hình dung bằng những vật dụng quen thuộc. Thành quả này mở ra khả năng thay đổi tốc độ, mức tiêu thụ công suất và cách vận hành của các mạch tích hợp nhỏ hơn trong nhiều thiết bị điện tử tương lai. Khi công nghệ ngày càng thu nhỏ, điện thoại thông minh, màn hình máy tính, ti vi và hệ thống định vị toàn cầu đều cần những mạch vừa nhanh, vừa tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, việc đưa các dây dẫn lại gần nhau không chỉ giúp tiết kiệm không gian, mà còn tạo ra những tương tác phức tạp giữa các thành phần vốn từng được xem xét riêng rẽ. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học nghiên cứu một cách trực tiếp cách những dây dẫn trong mạch điện tử tác động qua lại khi chúng được đặt rất sát nhau. Kết quả khiến nhóm nghiên cứu bất ngờ, bởi ảnh hưởng của một dây dẫn lên dây dẫn bên cạnh không cố định theo một hướng duy nhất. Tác động ấy có thể tích cực hoặc tiêu cực, nghĩa là dòng điện trong một dây có khả năng tạo ra dòng điện trong dây kia cùng chiều hoặc ngược chiều. Trong cách hiểu thông thường, các dây dẫn liền kề dễ bị xem như nguồn gây nhiễu, có thể làm sai lệch tín hiệu hoặc khiến mạch điện hoạt động kém ổn định hơn. Nhưng phát hiện mới cho thấy mối tương tác này không hoàn toàn bất lợi, bởi cùng một hiệu ứng có thể hỗ trợ hoặc cản trở dòng điện tùy theo điều kiện vận hành. Khả năng dòng điện ảnh hưởng theo cả hai chiều khiến việc thiết kế mạch điện tử kích thước nano trở nên tinh vi hơn, đồng thời tạo thêm cơ hội khai thác hiện tượng này. Các kỹ sư tương lai sẽ cần tính đến khoảng cách giữa những dây dẫn, hướng dòng điện và cách các thành phần lân cận cùng tham gia vào hoạt động chung của mạch. Nếu hiểu rõ những tương tác ấy, nhà thiết kế có thể tạo ra mạch điện tử hoạt động nhanh hơn mà không nhất thiết phải tăng đáng kể lượng năng lượng cung cấp. Hiệu suất của các mạch tích hợp nhỏ hơn vì thế có thể được cải thiện, trong khi kích thước tiếp tục giảm để phù hợp với những thiết bị ngày càng mỏng và gọn. Những lợi ích này đặc biệt đáng chú ý với điện thoại thông minh, nơi bộ phận xử lý, bộ nhớ và các mạch liên quan phải làm việc trong không gian rất hạn chế. Màn hình máy tính, ti vi và hệ thống định vị toàn cầu cũng có thể chịu ảnh hưởng từ những tiến bộ trong việc kiểm soát dòng điện ở quy mô cực nhỏ. Phát hiện của nhóm không chỉ liên quan đến tốc độ xử lý, mà còn gợi mở cách giải quyết một thách thức lớn trong quá trình phát triển máy tính tương lai. Thách thức đó nằm ở phần năng lượng bị thất thoát dưới dạng nhiệt, vấn đề thường trở nên nghiêm trọng hơn khi các linh kiện được đặt gần nhau và hoạt động với mật độ cao. Nhà lý luận nổi tiếng Markus Büttiker cho rằng năng lượng nhiệt thất thoát trong một dây dẫn có thể được khai thác bằng cách sử dụng những dây dẫn khác nằm liền kề. Ý tưởng này biến sự tương tác giữa các dây dẫn từ một rắc rối cần hạn chế thành một nguồn tài nguyên có khả năng phục vụ thiết kế mạch mới. Thay vì chỉ tìm cách ngăn nhiệt phát sinh hoặc nhanh chóng đưa nhiệt ra ngoài, các nhà nghiên cứu có thể xem xét phương án thu hồi phần năng lượng ấy. Dù nghiên cứu còn thuộc lĩnh vực điện tử nano, những kết quả đạt được đã kết nối rõ ràng giữa các câu hỏi cơ bản và nhu cầu ứng dụng trong công nghệ. Nghiên cứu cơ bản giúp giải thích hành vi của dòng điện giữa các dây dẫn siêu nhỏ, còn nghiên cứu ứng dụng có thể biến hiểu biết đó thành thiết bị nhanh hơn, hiệu quả hơn. Vì vậy, mạch điện tử cách nhau khoảng 150 nguyên tử không chỉ là một kỷ lục về độ nhỏ, mà còn là cửa sổ nhìn vào tương lai của ngành điện tử.