Điện Tử Nano và Thiết Bị Lượng Tử

Định luật Moore dự đoán rằng số lượng bóng bán dẫn (transistors) trên một vi mạch sẽ tăng gấp đôi sau mỗi hai năm. Tuy nhiên, khi các bóng bán dẫn được thu nhỏ đến quy mô vài nanomet, các hiệu ứng lượng tử không mong muốn (như hiệu ứng đường hầm) bắt đầu xuất hiện, gây rò rỉ dòng điện và làm cho chúng hoạt động không ổn định.

Trong thế giới vĩ mô, bạn không thể đi xuyên tường. Nhưng ở quy mô lượng tử, một hạt như electron có một xác suất nhỏ để "đào hầm" xuyên qua một rào cản năng lượng mà thông thường nó không thể vượt qua. Trong chip máy tính, điều này gây ra hiện tượng rò rỉ dòng điện không mong muốn.

Điện tử học truyền thống dựa trên việc điều khiển dòng điện tích của electron. Spintronics (điện tử spin) là một lĩnh vực mới nhằm khai thác một đặc tính lượng tử khác của electron là "spin" (có thể hình dung như chiều tự quay của nó, lên hoặc xuống). Việc sử dụng cả điện tích và spin hứa hẹn tạo ra các thiết bị nhanh hơn, nhỏ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Màn hình QLED (Quantum Dot Light Emitting Diode) sử dụng một lớp các chấm lượng tử để tăng cường màu sắc. Một đèn nền LED màu xanh lam sẽ chiếu sáng các chấm lượng tử. Các chấm này sẽ hấp thụ ánh sáng xanh và phát ra ánh sáng màu đỏ hoặc xanh lá cây rất tinh khiết, tùy thuộc vào kích thước của chúng. Sự kết hợp của ba màu cơ bản này tạo ra dải màu rộng và rực rỡ hơn.

Graphene là một lớp vật liệu chỉ dày một nguyên tử carbon, được sắp xếp theo cấu trúc tổ ong. Nó cực kỳ bền, nhẹ, gần như trong suốt và dẫn điện tốt hơn đồng. Những đặc tính này làm cho nó trở thành một ứng cử viên sáng giá để thay thế silicon trong các thế hệ bóng bán dẫn tiếp theo.

RRAM hay ReRAM là một loại bộ nhớ không bay hơi (non-volatile memory) hoạt động bằng cách thay đổi điện trở của một vật liệu đặc biệt (memristor). Nó có tiềm năng thay thế bộ nhớ flash hiện tại vì tốc độ nhanh hơn, bền hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn.

Khi hàng tỷ bóng bán dẫn được nhồi nhét vào một không gian nhỏ, việc tản nhiệt trở thành một thách thức lớn. Các nhà khoa học đang nghiên cứu các vật liệu nano có khả năng dẫn nhiệt cao như ống nano carbon hoặc graphene để tạo ra các "đường cao tốc" dẫn nhiệt ra khỏi các điểm nóng trên chip.

Đây là một lĩnh vực tham vọng nhằm sử dụng các phân tử đơn lẻ hoặc một nhóm nhỏ các phân tử làm linh kiện điện tử. Nếu thành công, nó có thể dẫn đến sự thu nhỏ ở mức độ cao nhất có thể, với các thiết bị nhỏ hơn hàng nghìn lần so với hiện nay.

Silicon là nền tảng của ngành công nghiệp điện tử trong nhiều thập kỷ, nhưng nó đang đạt đến giới hạn vật lý của mình. Để tiếp tục tuân theo Định luật Moore và tạo ra các thiết bị mạnh mẽ hơn, các nhà khoa học cần tìm kiếm các vật liệu mới có đặc tính điện tử ưu việt hơn ở quy mô nano.

Có, rất nhiều. Việc chế tạo các qubit (đơn vị cơ bản của máy tính lượng tử) thường liên quan đến các cấu trúc nano. Ví dụ, các qubit siêu dẫn được tạo ra bằng các mạch điện siêu nhỏ, hay các qubit chấm lượng tử sử dụng các hạt nano để bẫy và điều khiển các electron đơn lẻ.