Công nghệ này có thể giúp smartphone nhanh gấp bội, cho 5G “hít khói”

Trong thế giới công nghệ, nơi kích thước ngày càng thu nhỏ nhưng hiệu suất lại đòi hỏi sự gia tăng không ngừng, các nhà khoa học vừa tìm ra một lối đi đột phá. Một nghiên cứu hợp tác giữa Đại học Colorado Boulder, Đại học Arizona và Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia đã chứng minh rằng, việc tạo ra những “trận động đất” tí hon trên bề mặt vi mạch có thể là chìa khóa mở ra tương lai của điện thoại thông minh.

Từ sóng địa chấn đến “bộ điều chỉnh” nano

Khi nhắc đến động đất, chúng ta thường nghĩ đến sự hủy diệt. Tuy nhiên, trong thế giới vi mô của các linh kiện điện tử, nguyên lý rung động này lại mang ý nghĩa kiến tạo. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí danh tiếng Nature vào ngày 14 tháng 1 vừa qua đã giới thiệu một khái niệm mới: “laser phonon”.

Alexander Winter, nghiên cứu sinh tại Đại học Arizona và là tác giả chính của bài báo, ví von công nghệ này như việc tạo ra những làn sóng địa chấn lan truyền trên bề mặt của một con chip nhỏ. Khác với những cơn địa chấn tàn phá các tòa nhà trong thế giới thực, những rung động ở cấp độ nano này đóng vai trò là những “bộ điều chỉnh tinh tế” cho các thiết bị điện tử.

Thực tế, điện thoại thông minh ngày nay đã và đang sử dụng công nghệ Sóng âm bề mặt (Surface Acoustic Waves – SAW) để lọc tiếng ồn nền mỗi khi người dùng gửi tin nhắn hay định vị GPS. 

Tuy nhiên, công nghệ hiện hành đang chạm tới giới hạn vật lý của nó: các hệ thống này đòi hỏi nhiều chip phối hợp với nhau, chiếm diện tích lớn bên trong thân máy và tần số hoạt động bị giới hạn ở ngưỡng khiêm tốn khoảng 4 gigahertz.

Cấu trúc đột phá của “Laser Phonon”

Nhóm nghiên cứu đã tạo ra một cuộc cách mạng bằng cách thiết kế lại hoàn toàn cấu trúc của thiết bị. Họ tạo ra một thiết bị hình thanh siêu nhỏ, chỉ dài nửa milimet, với cấu trúc vật liệu xếp chồng vô cùng tinh vi.

Nền tảng của thiết bị là đế silicon, được phủ lên trên một lớp vật liệu áp điện lithium niobate. Điểm mấu chốt nằm ở lớp trên cùng: màng mỏng indium gallium arsenide. Cấu trúc đặc biệt này cho phép dòng electron lưu thông với tốc độ cao. Khi pin được kích hoạt, thiết kế này tạo điều kiện cho các rung động bề mặt tương tác trực tiếp và mạnh mẽ với các electron.

Cơ chế này hoạt động tương tự như cách một khoang laser khuếch đại sóng ánh sáng, nhưng ở đây, nó khuếch đại sóng âm. Kết quả là thiết bị không chỉ đạt được tần số rung động 1 gigahertz trong các thử nghiệm ban đầu mà còn hứa hẹn tiềm năng nâng cấp lên tới hàng trăm gigahertz – một bước nhảy vọt so với giới hạn của công nghệ hiện tại.

Hiệu quả năng lượng và viễn cảnh tương lai

Một trong những ưu điểm lớn nhất của công nghệ này là khả năng tiết kiệm năng lượng đáng kinh ngạc. Matt Eichenfield, tác giả cấp cao của nghiên cứu, nhấn mạnh sự tương đồng giữa thiết bị này và laser diode. 

Ông cho biết, giống như laser diode chỉ cần pin cung cấp điện để hoạt động, laser phonon cũng chỉ cần một nguồn điện áp đơn giản. Điều này đồng nghĩa với việc các thiết bị di động trong tương lai có thể loại bỏ hoàn toàn các hệ thống nguồn điện phức tạp, cồng kềnh đi kèm với các bộ lọc tín hiệu truyền thống.

Sự ra đời của “laser phonon” vẽ nên một bức tranh đầy hứa hẹn cho ngành công nghiệp di động. Hãy tưởng tượng một chiếc điện thoại thông minh nơi tất cả các thành phần vô tuyến quan trọng – từ bộ thu, bộ lọc cho đến bộ phát – đều được tích hợp gọn gàng vào một con chip duy nhất.

Kết quả của sự tích hợp này sẽ là những chiếc điện thoại có thân máy mỏng nhẹ hơn nhiều so với các mẫu flagship hiện nay. Quan trọng hơn, hiệu quả năng lượng cao có thể kéo dài thời lượng pin lên đến nhiều ngày, giải quyết một trong những nỗi đau đầu lớn nhất của người dùng smartphone. Bên cạnh đó, với khả năng hoạt động ở tần số hàng trăm gigahertz, tốc độ truyền tải dữ liệu sẽ đạt đến mức khiến mạng 5G hiện tại trở nên lỗi thời.

Khi những “sóng địa chấn” vi mô này âm thầm lan truyền trên bề mặt các con chip, chúng không phá hủy điều gì, mà ngược lại, đang xây dựng nền móng vững chắc cho một kỷ nguyên truyền thông mới nhanh hơn, mạnh hơn và hiệu quả hơn.