Đột phá lượng tử mới mở ra kỷ nguyên máy tính siêu tốc

Electron trở thành “vũ khí chiến lược” của công nghệ

Trong thế giới vật chất, electron là hạt cơ bản đảm nhiệm vai trò truyền tải năng lượng, tạo liên kết hóa học và dẫn điện - nền tảng của toàn bộ hệ thống công nghiệp, công nghệ và đổi mới sáng tạo hiện đại.

Khác với các vật liệu truyền thống, trong đó electron bị ràng buộc chặt chẽ với nguyên tử làm hạn chế khả năng linh hoạt, lớp vật liệu mới do các nhà khoa học tại Đại học Auburn (Mỹ) phát triển cho phép điều khiển electron tự do thông qua việc điều chỉnh các tương tác giữa các phức hợp phân tử kim loại cô lập (isolated-metal molecular complexes), còn được gọi là tiền chất electron hòa tan (solvated electron precursors).

Nhờ đó, các electron có thể di chuyển tự do trong không gian, mở ra cơ hội ứng dụng từ máy tính lượng tử đến xúc tác hóa học.

Electride cố định bề mặt - Bước tiến “phá luật tự nhiên”

Nhóm nghiên cứu đã phát triển loại vật liệu mang tên Surface Immobilized Electrides (Electride cố định bề mặt) bằng cách gắn các tiền chất electron hòa tan lên những bề mặt ổn định như kim cương và silic cacbua.

Cấu trúc này giúp tính chất điện tử của vật liệu vừa bền vững vừa có thể điều chỉnh linh hoạt, cho phép electron hoạt động ở hai trạng thái: Tụ thành các nhóm lượng tử tách biệt, hoạt động như bit lượng tử (qubits) cho điện toán nâng cao hoặc lan ra thành các vùng kim loại rộng để thúc đẩy các phản ứng hóa học phức tạp.

Bằng cách học cách điều khiển các electron tự do, chúng ta có thể thiết kế ra những vật liệu làm được những điều mà tự nhiên chưa từng tạo ra, TS. Evangelos Miliordos, tác giả nghiên cứu, chia sẻ.

Từ nghiên cứu cơ bản đến ứng dụng thực tiễn

Trước đây, các electride thường thiếu ổn định và khó sản xuất ở quy mô lớn. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu Auburn đã khắc phục được hạn chế này bằng cách lắng đọng electride trực tiếp lên bề mặt rắn, tạo ra cấu trúc ổn định có thể tích hợp vào các thiết bị công nghệ thực tế.

TS. Konstantin Klyukin, Trợ lý Giáo sư Kỹ thuật Vật liệu nhận định, đây là khoa học nền tảng, nhưng mang ý nghĩa ứng dụng sâu rộng. Những công nghệ này có thể thay đổi cách con người tính toán và sản xuất trong tương lai.

Cùng quan điểm, TS. Marcelo Kuroda, nhấn mạnh: Khi xã hội tiến gần đến giới hạn của công nghệ hiện tại, nhu cầu về vật liệu mới đang bùng nổ. Nghiên cứu này mở ra con đường kép vừa cho nghiên cứu cơ bản về tương tác vật chất, vừa cho các ứng dụng công nghiệp quy mô lớn.

Bằng việc “thuần hóa” electron tự do, nhóm nghiên cứu đã đặt nền móng cho một tương lai nơi máy tính lượng tử có thể giải quyết bài toán vượt xa khả năng hiện nay, đồng thời tạo ra các hệ xúc tác thế hệ mới giúp sản xuất nhiên liệu, dược phẩm và vật liệu công nghiệp hiệu quả hơn.

Đây mới chỉ là khởi đầu, TS. Miliordos khẳng định. Bằng cách điều khiển electron, chúng ta có thể kỳ vọng về một thế giới với máy tính nhanh hơn, thiết bị thông minh hơn và những công nghệ mà hiện tại con người chưa thể tưởng tượng nổi.

Nghiên cứu nhận được sự hỗ trợ từ Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ và sử dụng các tài nguyên tính toán của Đại học Auburn./.