Các nhà nghiên cứu đã phát triển thành công một vật liệu được gọi là bismuthene và với khả năng hoạt động ngay ở nhiệt độ phòng, bismuthene có thể hiện thực hóa ý tưởng sử dụng điện tử spin hay spintronics để truyền tải thông tin bên trong một con chip. Bismuthene được tạo ra bằng sự kết hợp giữa các nguyên tử bismuth (Bi 83) và một chất nền silicon carbide (SiC).
Chúng ta đều biết điện tử có 2 tính chất là điện tích và chuyển động spin (quay quanh nguyên tử theo cách mô tả dễ hình dung nhất). Điện tích thì đã được khai thác từ lâu 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 này xâm nhập sâu vào vật liệu, làm thay đổi tính dẫn của bán dẫn gần bề mặt. Đây là được gọi là hiệu ứng trường (Field-Effect - FE) và nó là nguyên lý hoạt động của rất nhiều linh kiện điện tử mà chúng ta thường thấy trên bo mạch, đáng chú ý như transistor hiệu ứng trường (FET - trong FinFET mà hẳn anh em đã biết khi được nghe về tiến trình sản xuất bán dẫn), MOSFET hay đèn MOSFET thường có trong mô-đun ổn áp (VRM) trên bo mạch chủ và nhiều thứ khác nữa.
Trong khi đó spintronics hay truyền tải điện tử spin là một lĩnh vực đã được nghiên cứu từ lâu. Electron quay quanh nguyên tử tạo ra mô-men động lượng spin và mô-men từ spin. Ngành spintronics ra đời dựa trên phát hiện của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR) năm 1988 và hiệu ứng từ điện trở chui hầm (Tunneling Magnetoresistance - TMR) năm 1995 của 2 nhóm nghiên cứu đến từ Pháp và Đức. Spintronics đặt ra mục tiêu 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 sở hữu tiềm năng rất lớn để cách mạng hóa nhiều khía cạnh của điện tử và điện toán bởi những ưu điểm của spintronics là tiêu thụ ít năng lượng hơn khi hoạt động, truyền tải dữ liệu nhanh hơn và quan trọng hơn cả là có thể hoạt động với 4 trạng thái (quantum bit hay qubit) thay vì chỉ 0 và 1.
Tại hội nghị quốc tế về mạch điện tử trạng thái rắn (ISSCC) diễn ra ở San Francisco năm ngoái, giám đốc công nghệ và sản xuất của Intel - William Holt đã nhấn mạnh rằng: "Chúng ta sắp sửa được chứng kiến nhiều sự chuyển dịch lớn. Một công nghệ mới về cơ bản là 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 khơi mào xu hướng vi xử lý đáp ứng cho các thiết bị cỡ nhỏ, sau đó là Internet of Things với nhu cầu đưa vi xử lý vào mọi thiết bị quanh ta từ bóng đèn cho tới nắm cửa thì Intel cần phải thay đổi để nắm giữ vị thế dẫn đầu. Mô hình Tick-Tock (đổi mới kiến trúc và thu nhỏ đế chip) ngày càng trở nên khó theo đuổi khi mà định luật Moore đã không còn đúng nữa. Để giảm kích thước đế chip theo mô hình Tick-Tock thì Intel 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 là bán dẫn chui hầm (tunneling transistor) 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 mô-men từ từ chuyển động quay của electron quanh nguyên tử.
Với lợi thế hoạt động với 4 trạng thái thì spintronic có thể truyền tải thông tin nhanh hơn rất nhiều so với hệ binary và giúp Intel cũng như nhiều hãng sản xuất vi xử lý khác vượt qua giới hạn dưới 10 nm hiện tại. Tuy nhiên, các vật liệu thông thường được sử dụng trong các hệ thống spintronic lại rất phụ thuộc vào nhiệt độ, thông thường sẽ cần phải được làm mát đến -267 độ C.
Tuy nhiên, bismuthene không gặp phải vấn đề này. Nó được phát triển bởi một nhóm nghiên cứu đến từ đại học Wurzburg, Đức và nó kết hợp giữa một lớp bismuth có độ mỏng bằng một nguyên tử và một lớp chất nền SiC. Cấu trúc này khiến các nguyên tử bismuth hình thành một cấu trúc tổ ong, tương tự như cấu trúc hiển vi của graphene nên vật liệu này được đặt tên là bismuthene. Nhờ liên kết hóa học với chất nền, vật liệu này 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 cực kỳ quan trọng đối với spintronics bởi tình trạng đoản mạch không được phép xảy ra bên trong vật liệu hay chất nền và bismuthene có thể giải quyết vấn đề này. Thêm nữa là bismuthene có thể đáp ứng cả tính dẫn và cách điện ngây ở nhiệt độ phòng hoặc nóng hơn, từ đó 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.
Mặc dù đây vẫn là khởi đầu nhưng nhóm nghiên cứu tại Wurzburg đã thử nghiệm và chứng minh được các đặc tính của bismuthene đối với ứng dụng spintronics. Họ kỳ vọng phát minh này sẽ dẫn đến những cải tiến với trong công nghệ truyền tải thông tin trong tương lai. Sẽ mất thêm thời gian để chúng ta được thấy công nghệ spintronics được ứng dụng trong các thiết bị thương mại.
Chúng ta đều biết điện tử có 2 tính chất là điện tích và chuyển động spin (quay quanh nguyên tử theo cách mô tả dễ hình dung nhất). Điện tích thì đã được khai thác từ lâu 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 này xâm nhập sâu vào vật liệu, làm thay đổi tính dẫn của bán dẫn gần bề mặt. Đây là được gọi là hiệu ứng trường (Field-Effect - FE) và nó là nguyên lý hoạt động của rất nhiều linh kiện điện tử mà chúng ta thường thấy trên bo mạch, đáng chú ý như transistor hiệu ứng trường (FET - trong FinFET mà hẳn anh em đã biết khi được nghe về tiến trình sản xuất bán dẫn), MOSFET hay đèn MOSFET thường có trong mô-đun ổn áp (VRM) trên bo mạch chủ và nhiều thứ khác nữa.
Trong khi đó spintronics hay truyền tải điện tử spin là một lĩnh vực đã được nghiên cứu từ lâu. Electron quay quanh nguyên tử tạo ra mô-men động lượng spin và mô-men từ spin. Ngành spintronics ra đời dựa trên phát hiện của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR) năm 1988 và hiệu ứng từ điện trở chui hầm (Tunneling Magnetoresistance - TMR) năm 1995 của 2 nhóm nghiên cứu đến từ Pháp và Đức. Spintronics đặt ra mục tiêu 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 sở hữu tiềm năng rất lớn để cách mạng hóa nhiều khía cạnh của điện tử và điện toán bởi những ưu điểm của spintronics là tiêu thụ ít năng lượng hơn khi hoạt động, truyền tải dữ liệu nhanh hơn và quan trọng hơn cả là có thể hoạt động với 4 trạng thái (quantum bit hay qubit) thay vì chỉ 0 và 1.
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 là bán dẫn chui hầm (tunneling transistor) 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 mô-men từ từ chuyển động quay của electron quanh nguyên tử.
Với lợi thế hoạt động với 4 trạng thái thì spintronic có thể truyền tải thông tin nhanh hơn rất nhiều so với hệ binary và giúp Intel cũng như nhiều hãng sản xuất vi xử lý khác vượt qua giới hạn dưới 10 nm hiện tại. Tuy nhiên, các vật liệu thông thường được sử dụng trong các hệ thống spintronic lại rất phụ thuộc vào nhiệt độ, thông thường sẽ cần phải được làm mát đến -267 độ C.
Đây là yếu tố cực kỳ quan trọng đối với spintronics bởi tình trạng đoản mạch không được phép xảy ra bên trong vật liệu hay chất nền và bismuthene có thể giải quyết vấn đề này. Thêm nữa là bismuthene có thể đáp ứng cả tính dẫn và cách điện ngây ở nhiệt độ phòng hoặc nóng hơn, từ đó 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.
Mặc dù đây vẫn là khởi đầu nhưng nhóm nghiên cứu tại Wurzburg đã thử nghiệm và chứng minh được các đặc tính của bismuthene đối với ứng dụng spintronics. Họ kỳ vọng phát minh này sẽ dẫn đến những cải tiến với trong công nghệ truyền tải thông tin trong tương lai. Sẽ mất thêm thời gian để chúng ta được thấy công nghệ spintronics được ứng dụng trong các thiết bị thương mại.
