Phát minh từ quá khứ hồi sinh: đèn điện tử chân không lại có khả năng thay thế các transistor hiện tại

Các nhà nghiên cứu đang “định nghĩa” lại thử công nghệ có tuổi đời nhiều thập kỷ, mục đích của họ là tạo ra được những thứ thiết bị nhanh hơn và mạnh mẽ hơn trong tương lai.

Ví dụ như, một đèn điện tử chân không nhỏ ở mức nano sẽ có thể đưa tốc độ và hiệu quả dòng điện lên trong các đồ điện tử cũng như các tấm pin Mặt Trời lên cực cao.

Từ xưa, bóng đèn điện tử chân không được sử dụng như một thiết bị điện trong máy tính và là một trong những linh kiện điện tử đầu tiên vào những năm 1930 và 1940. Dần dần, chúng bị thay thế bởi các transistor được cấu thành từ các các chất bán dẫn. Các transistor kể trên có kích cỡ nhỏ hơn rất nhiều đèn điện tử chân không, và chính chúng đã tạo nên những máy tính, điện thoại hay các thiết bị điện tử khác của thời đại này.

Transistor.

Nhưng những transistor ấy có những yếu điểm của mình: chúng có một kích cỡ hạn chế và tốc độ cũng hạn chế, ta đang tiến gần hơn tới điểm hạn chế đó với việc tiến gần hơn tới giới hạn của Định luật Moore.

Nhưng giờ đây, một cánh cửa mới mở ra khi các nhà khoa học tại Đại học San Diego khi các nhà khoa học quay ngược lại quá khứ, quay về “tái chế” ý tưởng về bóng đèn điện chân không. Lần này, họ làm cho nó trở lên cực kì tí hon và đó có lẽ đó chính là công nghệ của tương lai, một tương lai của đồ điện tử hiệu quả hơn, một tương lai sán lạn đến từ phát minh trong quá khứ.

“Hiển nhiên là nó không thể thay thế TOÀN BỘ các thiết bị mang chất bán dẫn được, nhưng nó có thể là cách tốt nhất để áp dụng vào những ứng dụng đặc biệt, vị dụ như những thiết bị có tần số cao hay những thiết bị yêu cầu nhiều năng lượng”, trưởng ban nghiên cứu và cũng là một kỹ sư điện máy, ông Dan Sevenpiper lạc quan nói.

Bóng đèn điện chân không.

Transistor, không nghi ngờ gì, là một trong những phát minh quan trọng nhất của thế kỷ 20. Nó là một thiết bị nhỏ hơn và hiệu quả hơn, một người kế nghiệp và cũng là một kẻ thay thế hoàn hảo cho bóng đèn điện chân không. Dù vậy, khó khăn trong việc làm cho transistor nhỏ và hiệu quả hơn nữa đang dần trở nên rõ ràng hơn bao giờ hết.

Hơn nữa, electron đi qua vật liệu bán dẫn của các transistor (như silicon) sẽ bị chậm lại khi chúng va chạm với các nguyên tử khác, chưa kể tới việc chất bán dẫn còn có một tính chất mang tên band gap - năng lượng vùng cấm, đó là nơi cần một lượng năng lượng bên ngoài nữa để có thể khiến các electron có thể chuyển động.

Hiệu quả của việc sử dụng những bóng đèn điện chân không cỡ nano nằm ở việc chúng có thể đưa dòng điện di chuyển qua không khí chứ không phải là truyền qua một vật chất rắn như các transistor hiện này. Việc truyền qua không khí sẽ cho ra kết quả dòng điện nhanh hơn hẳn.

Với việc giải phóng các electron, để chúng có thể đưa dòng điện được qua khoảng không thông thường sẽ cần tới một điện áp lớn hoặc một tia laser đủ mạnh. Cả hai điều kiện đó đều khó có thể đạt được ở mức nano và đó chính là thứ đã ngăn chặn tiến trình phát triển của công nghệ “cổ đại” bóng đèn điện chân không.

Để giải quyết khúc mắc này, đội ngũ nghiên cứu đã tạo ra một lớp đặc biệt nữa, một cấu trúc hình nấm làm từ vàng (siêu lớp điện từ) và đặt nó trên một lớp silicon dioxide và một lớp silicon.

Khi một dòng điện có điện áp nhỏ (nhỏ hơn 10 volt) và một tia laser cường độ yếu được đưa qua siêu lớp điện từ này, nó tạo ra những điểm nóng chứa những trường có cường độ điện mạnh, khiến cho cấu trúc này có đủ năng lượng để khiến các electron di chuyển.

Trong quá trình thử nghiệm, đội ngũ các nhà nghiên cứu đã tạo ra một hiệu suất dẫn điện cao gấp 10 lần so với bóng đèn điện chân không cũ không có siêu lớp kia.

Hiện tại, họ mới chỉ thử nghiệm thành công chứ chưa thể đưa hệ thống này áp dụng vào một thiết bị được. Nhưng với thành công ngoài sức mong đợi này, ta sẽ có thể có những siêu lớp khác nữa, có khả năng tăng cường sức mạnh của vô vàn các thiết bị khác.

“Bước tiếp theo, chúng tôi sẽ tìm hiểu xem những thiết bị này có khả năng thu gọn lại được tới đâu và điểm nào sẽ là điểm giới hạn hiệu suất của chúng”, ông Sivenpiper nói.

Chế tạo thành công transistor nhỏ nhất trong lịch sử, dài chỉ 1 nanomét, bảo toàn định luật Moore