Bismuthene – Niềm Hy Vọng Mới Cho Kỷ Nguyên Nguyên Liệu Spintronics

Khoảng giữa tháng 07/2017, các nhà nghiên cứu đã phát triển thành công một vật liệu có tên gọi là Bismuthene, có khả năng hoạt động ngay ở nhiệt độ phòng. Được biết, Bismuthene được tạo ra bằng sự kết hợp giữa các nguyên tử bismuth (Bi 83) và một chất nền silicon carbide (SiC). Nó có thể hiện thực hóa ý tưởng sử dụng điện tử spin hay spintronics để truyền tải thông tin bên trong một con chip.

Điện tử vốn có 2 tính chất là điện tích và chuyển động quay quanh nguyên tử. Từ lâu, điện tích đã được khai thác để tạo ra dòng điện và khai thác điện trường để điều khiển bán dẫn. Một bán dẫn với mật độ electron và cả lỗ trống thấp hơn có thể phản hồi với một điện trường đủ nhỏ để điện trường xâm nhập sâu vào vật liệu, làm thay đổi tính dẫn của bán dẫn gần bề mặt. Đây là được gọi là Field-Effect (hiệu ứng trường) và là nguyên lý hoạt động của rất nhiều linh kiện điện tử thường thấy trên bo mạch, đáng chú ý như transistor hiệu ứng trường (FET). MOSFET hay đèn MOSFET thường có trong mô-đun ổn áp trên bo mạch chủ và nhiều thứ khác...

Trong khi đó, spintronics hay truyền tải điện tử spin là một lĩnh vực đã được nghiên cứu một thời gian. Electron quay quanh nguyên tử tạo ra momen động lượng spin và momen từ spin. Ngành spintronics ra đời dựa trên phát hiện của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ hồi năm 1988 và hiệu ứng từ điện trở chui hầm năm 1995 của 2 nhóm nghiên cứu đến từ Pháp và Đức. Mục tiêu của Spintronics đặt ra là tìm hiểu sâu hơn về cơ chế tương tác giữa chuyển động của các hạt và môi trường chất rắn, từ đó tìm cách điều khiển mật độ và vận chuyển dòng electron bên trong vật liệu. Spintronics có tiềm năng rất lớn để cách mạng hóa nhiều khía cạnh của điện tử và điện toán với những ưu điểm như tiêu thụ ít năng lượng hơn khi hoạt động, truyền tải dữ liệu nhanh hơn và đặc biệt là có thể hoạt động với 4 trạng thái (quantum bit hay qubit) thay vì chỉ 0 và 1.

Tại ISSCC (hội nghị quốc tế về mạch điện tử trạng thái rắn) diễn ra ở San Francisco hồi năm 2016, William Holt, giám đốc công nghệ và sản xuất của Intel, nhấn mạnh rằng: “Chúng ta sắp được nhìn thấy nhiều sự chuyển dịch lớn. Một công nghệ mới về cơ bản sẽ khác biệt hoàn toàn”. Trước nhu cầu về những sản phẩm điện tử nhỏ hơn, tiết kiệm điện năng hơn, chẳng hạn như đồng hồ thông minh, đã mở ra xu hướng vi xử lý đáp ứng cho các thiết bị cỡ nhỏ, sau đó là Internet of Things (Đồ dùng kết nối) với nhu cầu đưa vi xử lý vào mọi thiết bị trong nhà, từ bóng đèn cho tới tay nắm cửa. Intel cần phải thay đổi kịp thời để giữ vị thế dẫn đầu. Mô hình Tick-Tock ngày càng trở nên khó theo đuổi trong bối cảnh định luật Moore đã không còn đúng. Để giảm kích thước đế chip theo mô hình Tick-Tock, Intel cần phải thay đổi tiến trình sản xuất.

2 phương án được Intel hướng đến nhằm tạo ra bước tiến lớn tiếp theo trong công nghệ vi xử lý đều thuộc cơ học lượng tử. Đầu tiên, tunneling transistor (bán dẫn chui hầm) hoạt động bằng cách khai thác sự giao thoa của electron để cung cấp nhiều tín hiệu hơn trong thiết kế chip siêu nhỏ. Công nghệ còn lại là spintronics khai thác momen từ chuyển động quay của electron quanh nguyên tử.

Với lợi thế hoạt động với 4 trạng thái, spintronic có thể truyền tải thông tin nhanh hơn rất nhiều so với hệ binary, và giúp Intel cùng nhiều hãng sản xuất vi xử lý khác vượt qua giới hạn dưới 10 nm hiện nay. Tuy nhiên, các vật liệu thông thường được sử dụng trong các hệ thống spintronic rất phụ thuộc vào nhiệt độ, sẽ cần phải được làm mát đến -267 độ C.

Với Bismuthene, nó không gặp phải vấn đề về nhiệt độ. Bismuthene được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu đến từ đại học Wurzburg, Đức. Nó kết hợp giữa một lớp bismuth có độ mỏng bằng một nguyên tử và một lớp chất nền SiC. Cấu trúc sẽ khiến các nguyên tử bismuth hình thành một cấu trúc tổ ong, tương tự như cấu trúc hiển vi của graphene, nên vật liệu mới được gọi tên là Bismuthene. Nhờ liên kết hóa học với chất nền, Bismuthene giữ được chất lượng dẫn điện trên bề mặt nhưng đồng thời đảm bảo khả năng cách điện với vùng trung tâm.

Đây là yếu tố vô cùng quan trọng đối với spintronics, vì tình trạng đoản mạch không được phép xảy ra bên trong vật liệu hay chất nền, và bismuthene có thể giải quyết vấn đề. Ngoài ra, Bismuthene có thể đáp ứng cả tính dẫn và cách điện ngây ở nhiệt độ phòng hoặc nóng hơn, loại bỏ nhu cầu sử dụng các hệ thống siêu hàn và mở ra tiềm năng phát triển các phần cứng spintronics trong tương lai.

Dù đây vẫn là khởi đầu, nhưng nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm và chứng minh được các đặc tính của Bismuthene đối với ứng dụng spintronics. Nhóm kỳ vọng phát minh mới sẽ dẫn đến những cải tiến với trong công nghệ truyền tải thông tin trong tương lai. Sẽ cần thêm thời gian để công nghệ spintronics được ứng dụng trong các thiết bị thương mại.