32 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Công ngh phonon đang nóng dn Lei Wang, Baowen Li Các nhà nghiên cứu vừa thành công trong việc chế tạo các diode nắn nhiệt, đặt nền tảng cho transistor và mạch logic nhiệt. Lei Wang và Baowen Li mô tả lĩnh vực đang xuất hiện thuộc “công nghệ phonon”. Khi nó xut hin  chuyn hóa năng lưng, t nhiên có hai công c thit yu tùy ý s dng: ó là s dn bng nhit và bng in. Nhưng hai hin tưng này không bao gi ưc các nhà khoa hc i x như nhau. in, qua transistor và các linh kin in t khác, cho phép các phát trin công ngh làm bin i nhiu mt ca i sng chúng ta. Nhưng các dng c tương t cho phép dòng nhit ưc iu khin vn không có sn, bt chp ã qua nhiu thp k nghiên cu. Vn  là  ch vic iu khin dòng nhit trong cht rn khó hơn nhiu so vi iu khin dòng electron. Không ging như electron, các ht mang nhit (phonon) không phi là các ht 33 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay im có tính cht xác nh mà là mt bó năng lưng không có khi lưng hay in tích và do ó không b tác ng bi trưng in t. Tuy nhiên, t nhiên ã và ang iu khin dòng nhit trong hàng t năm tri, nht là bên trong nhng cơ th sng – bn ch cn xem xét cách thc cơ th b chi phi  gi tng cơ quan ni tng  úng nhit  là thy ưc ti sao. Vì th, ngưi ta phi có th, cho dù nó yêu cu mt cơ ch vt lí hoàn toàn khác, iu khin ưc nhit v mt công ngh. Tuy vy, chúng ta có th nói qua ôi chút  chuyn “công ngh phonon” t gic mơ thành hin thc. C th là các nhà nghiên cu mi ây ã ch to ưc diode nhit, transistor nhit và cng lôgic nhit, chúng là nhng thành phn cơ bn ca dng c nhit thit thc. Nhng b phn như th còn làm phát sinh kh năng rng nhit – lâu nay b xem là vô dng hoc có hi trong các mch in t - có th dùng  x lí thông tin. Vì th, công ngh phonon s thêm mt xu hưng vt lí mi cho vic x lí thông tin, ngoài in t hc và lưng t hc. Dòng nhiệt một chiều B phn công ngh phonon cơ bn nht là diode nhit – mt dng c có th dn nhit ch theo mt chiu. Hiu ng nhit nh hưng như th ln u tiên ưc quan sát thy trong tip giáp ng-ng ôxit bi nhà vt lí Chauncey Starr ti Vin Bách khoa Rensselaer  New York trong thp niên 1930. Trong ba thp k sau ó, các nhà nghiên cu ã tin hành các nghiên cu m rng v dòng nhit dn qua nhng tip giáp cht như th, thưng chú ý ti thép và nhôm. Nhưng không h có nn tng lí thuyt cht ch như ng lc hc phi tuyn, hay công sut máy tính hiu qu  mô phng quá trình ó, nên các diode nhit ban u này vn chng gì hơn là món  chơi lí thú. Tình trng ó ã thay i ngon mc trong vài năm va qua. Năm 2002, Marcello Terraneo ti Universitá degli Studi dell’Insubria  Como, Italy, và các cng s ã  xut mt mu ơn gin ca diode nhit da trên s cng hưng ( Phys. Rev. Lett. 88 094302 ). Toàn b h thng vt lí có mt tn s t nhiên, nghĩa là năng lưng có th chuyn hóa rt hiu qu bng cách kích thích h vi các dao ng  tn s ó. ây là cái khin cho có th Ny mt a tr lên cao trên mt cái xích u ch vi mt n lc nh. Vì năng lưng nhit tương ng vi dao ng ca các nguyên t hay phân t, nên nguyên lí tương t áp dng ưc cho các cht: nhit d dàng trao i gia hai cht nu tn s cng hưng ca chúng tương thích vi nhau; nu chúng không phù hp thì s truyn nhit tr nên khó hơn nhiu. Terraneo xem xét iu xy ra khi mt cht phi tuyn vi mt tn s cng hưng ph thuc mnh vào nhit  b kp gia hai on gn như tuyn tính, tn s ca chúng khó mà bin thiên theo nhit . Ông nhn thy tn s ca các cht tương thích vi nhau khi  gim nhit (tương t như  gim th trong mt mch in) ưc ưa vào theo mt hưng và không phù hp ln nhau khi  gim nhit  ưc ưa vào theo hưng khác. Kt qu chung là nhit có th d dàng chy theo mt hưng qua lp sandwich ch không chy theo hưng kia. 34 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Bng cách ghép hai cht hay hai “on” có tn s cng hưng khác nhau li vi nhau, mt dòng nhit có th b dng li hoc cho i qua mt phân cách tùy thuc vào nhit  ca các on (hình trên). Trong mô hình này, mt on (màu xanh) là mt chui ht trong ó tng ht kt ni vi lân cn gn nht ca nó bng các lò xo àn hi tha mãn nh lut Hooke, còn on kia (màu ) là mt chui ging ht nhưng chu mt th hình sin (màu xanh lá cây). Nu nhit   on  nh hơn nhit   on xanh (hình dưi bên trái), thì tn s cng hưng ca on xanh luôn luôn tp trung vào nhng tn s thp, còn tn s cng hưng ca on  tp trung  nhng tn s cao (vì các ht b giam gi trong nhng ch lõm). Kt qu là tn s dao ng ca tng on không tương thích nhau và nhit (là kt qu ca các dao ng ca các ht) không th chy hiu qu lm. Tuy nhiên, khi nhit   on  ln hơn nhit   on xanh (hình dưi bên phi), thì các ht có th chuyn ng t do gia các hàng rào và vì th tn s dao ng ca chúng m rng mt phn sang nhng tn s thp, chúng phù hp vi tn s ca các ht trong on bên phi. Cơ ch tương thích/không tương thích này gây ra s dn nhit nh hưng, và còn có th gây ra nhit tr vi phân âm (NDTR). NDTR cn thit cho vic ch to b ngt nhit và transistor nhit. Năm 2004, các tác gi hin nay ã ci tin mô hình này, s dng các on cu thành t mt chui ht chu mt th hình sin, nó có tn s cng hưng ph thuc nhy hơn nhiu vào nhit  so vi trong mô hình ca Terraneo. Chúng tôi còn gim s on t ba xung hai, nh ó hình thành mt lp tip giáp thôi. Nói chung, vic này làm tăng hiu ng chnh lưu (tc là t s dòng nhit theo các hưng khác nhau) lên ba bc  ln ( Phys. Rev. Lett. 93 184301 ). ưc truyn cm hng bi thành tu lí thuyt này, năm 2006, Chih-Wei Chang và các cng s ti i hc California  Berkeley ã ch to b chnh lưu nhit cht rn u tiên ( Science 314 1121 ). Các nhà nghiên cu gn mt b nhit và mt b cm bin vào hai u ca mt ng nano, cho phép h tính ưc  dn nhit ca nó. Sau ó, h cho lng các ht nng, gc platinum 35 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay không ng u theo na chiu dài ca ng nano sao cho s ph thuc nhit  ca tn s cng hưng bin thiên dc theo ng. S tương thích/ không tương thích này ca tn s có nghĩa là  dn theo mt hưng ln hơn 3 – 7% so vi theo hưng kia. S chnh lưu mà Chang quan sát thy nh hơn giá tr ti a ã tiên oán. ây ch yu là vì h Berkeley (chiu dài mt vài micron) ln hơn nhiu so vi h ã lp mô phng, nghĩa là vai trò ca lp tip giáp b trit tiêu. Tuy nhiên, nghiên cu ó là mt bưc tin ln v phía trưc. Chúng ta cn nh rng diode và transistor in u tiên hi nhng năm 1940 cũng kém hiu qu hơn nhiu so vi các sn phNm có mt trên th trưng ngày nay. Ni vi hai in cc, si mnh  gia là mt ng nano cacbon  trung tâm ca “b chnh lưu nhit” cht rn vi mô u tiên t trưc n nay. Tht vy, ch vài tháng sau ó, Ralf Scheibner ti i hc Würzburg  c và các cng s ã báo cáo mt s chnh lưu 11% s dng mt chm lưng t - mt dng c bán dn cp  nano trong ó hàm sóng electron b khu bit hóa.  ây, dòng chy bt i xng không phát sinh t s không phù hp ca tn s cng hưng  mt tip giáp mà t s khác bit vt lí  mi liên kt gia chm lưng t và hai dây ni: s truyn ti thun li qua các trng thái có xung lưng qu o khác không, vì th mang li s chnh lưu nhit ln ( arXiv:cond-mat/0703514 ). Mt ng dng d thy ca diode nhit là tit kim năng lưng. Ví d,  mt nưc nhit i như Singapore, nhit  ngoài tri thưng cao hơn nhiu nhit  trong nhà, nên ngưi ta thưng mun ngăn cn nhit chy t ngoài tri vào trong nhà  gi cho bên trong mát m. Tuy nhiên, vào ban êm, nhit  ngoài tri có th thp hơn nhit  trong nhà, nên ngưi ta mun cho phép nhit chy t trong nhà ra ngoài tri. Hin nay, iu hòa không khí ưc s dng  duy trì nhit  trong nhà d chu. Nhưng nu tưng hoc ca s ca căn nhà ưc ch to t diode 36 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay nhit, chúng có th t ng tăng s dn nhit ca chúng vào ban êm và óng vai trò mt cht cách nhit vào ban ngày, vì th có th tit kim rt nhiu năng lưng. Bộ ngắt mạch phonon tính Diode nhit là mt bưc tin quan trng hưng ti công ngh phonon. Nhưng thách thc ln tip theo là ch to mt transistor nhit có th iu khin dòng nhit ging như transistor iu khin dòng in tích. Transistor nhit s ci thin nhiu kh năng ca chúng ta iu khin dòng nhit, vì chúng có th hoc làm b ngt nhit, chuyn bt dòng nhit “on” và “off”, hoc là mt iu bin iu khin dòng nhit liên tc qua mt phm vi rng. Ging như mt transistor in t, mt transistor nhit gm hai phn (ngun và cc thu) và mt phn th ba (cng) qua ó tín hiu vào ưc truyn ti (hình trên). iu quan trng là nhit tr vi phân âm (NDTR) có th có gia phn ngun và cc thu, cho phép dòng nhit ưc khuch i. Tính toán cho thy khi nhit  cng (T G ) tăng, thì c dòng thu (J D ) và dòng ngun (J S ) tăng theo gn 100 ln. c bit, dòng cng J G = J S – J D là bng không khi T G ≈ 0,03 và T G ≈ 0,14. Vì dòng ngun quá khác bit  hai nhit , nên chúng ta có th chuyn transistor sang “off” bng cách làm cho T G = 0,03 và bt nó sang “on” bng cách làm cho T G = 0,14. Bng cách làm cho nhit tr gia ngõ ra (O) và cng rt nh, thì nhit  ngõ ra (T O ) luôn gn bng T G . Chc năng chuyn mch này có nghĩa là transistor nhit còn có th s dng  thc hin các toán t lôgic nhit như NOT, AND và OR. 37 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay Ging như ngưi anh em in t ca nó, transistor nhit có ba cc: cc thu, cc ngun, và cc cng. Khi nhit   cc thu và cc ngun là c nh, thì dòng nhit truyn t cc này ti cc kia ưc iu khin bi nhit  ti cc cng. iu quan trng là nu transistor khuch i tín hiu, thì s thay i dòng nhit qua cng cn cm ng mt s thay i còn ln hơn t cc thu n ngun sao cho transistor có th khuch i tín hiu ó. Nhưng làm th nào chúng ta m bo rng iu kin này ưc tha mãn ? Ngưi ta ã bit rng s gim nhit  dn n các dòng nhit. Khi la gp nưc, chng hn, nhit chy t nơi nhit  cao sang nơi nhit  thp và làm nóng nưc. Nói chung, s gim nhit  càng ln, thì dòng nhit càng ln, cái gi là nhit tr vi phân âm. Tuy nhiên, chúng ta thy mt transistor ch có th khuch i mt dòng nhit nu như nó có nhit tr vi phân âm (NDTR), nghĩa là mt s gim nhit  ln ưa n mt dòng nhit nh và s gim nhit  nh dn n dòng nhit ln. NDTR trông có v như phn trc giác, nhưng ngưi hoàn toàn có th vì nhit tht s vn chy t nóng sang lnh. (Nhit tr âm, nh ó nhit chy t nơi lnh sang nóng, tt nhiên b cm bi nh lut th hai ca nhit ng lc hc) Năm 2006, chúng tôi ã chng minh NDTR trong mt h da trên cùng hin tưng cng hưng làm cho diode nhit thành có th, nh ó ã hin thc hóa transistor nhit u tiên ca th gii ( Appl. Phys. Lett. 88 143501 ). B phn ch yu ca dng c gm mt cht cu thành t hai on có tn s cng hưng khác nhau, tương t như cu to ca diode nhit. Tht ra, chúng tôi ã phát hin mt hiu ng NDTR yu khi chúng tôi ch to diode nhit, cho nên tt c nhng gì chúng tôi phi làm  ch to transistor là iu chnh các thông s sao cho hiu ng xy ra ln hơn. Kt qu này m ra cánh ca mi cho vic ch to các cng lôgic. Lôgic nhiệt Trong mt mch in t, hai trng thái “1” và “0” ưc nh nghĩa bng hai in th chuNn, nhưng trong mt mch nhit, chúng ưc nh nghĩa bng hai nhit  chuNn: T on và T off . Vì th, bưc th nht hưng ti s dng nhit x lí thông tin là ch to mt “b lp tín hiu”, nó m bo rng h khi nào tín hiu vào hơi khác vi nhit  chuNn nh trưc, thì tín hiu ra là giá tr chuNn chính xác ó. iu này có th d dàng thu ưc trong mt transistor nhit. Khi nhit  ca cng, T G , gn nhưng không chính xác bng vi T on hoc T off, thì hưng ca dòng nhit trong cc cng luôn làm cho nhit   nút tip giáp gia ngun và cng gn hơn vi T on hoc T off . Do ó, bng cách ni các transistor ni tip, tc là cm ngõ ra ca transistor này vi cng ca transistor tip theo, thì tín hiu ra cui cùng tăng lên tương t như mt tín hiu s, tc là nó s hoc là rt gn vi T on hoc là rt gn vi T off . iu này t nn tng cho các cng lôgic cùng vi nhau s cho phép quá trình x lí thông tin nhit. Trong công trình mi nht ca chúng tôi, ban u chúng tôi ã lp mô hình mt cng NOT, nó cho ra “1” khi nó nhn vào “0” và ngưc li. Do ó,  to ra mt cng NOT nhit, 38 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay chúng ta cn nhit  ra gim khi nhit  vào tăng và ngưc li. Nhưng làm th nào chúng ta có th làm lnh mt phn ca h bng cách làm nóng phn kia ? Câu tr li là ưa tín hiu vào t cc ngun, và thu ly tín hiu ra t cc thu, gia chúng NDTR là có th: nhit  cao hơn  cc ngun gây ra dòng nhit ln hơn  cc thu và vì th làm tăng  gim nhit . Hin tưng to ra mt phn ng âm, và do ó h óng vai trò là mt cng NOT nhit. Tip theo, chúng tôi chuyn s chú ý ca mình sang cng AND và OR, c hai u có hai ngõ vào và mt ngõ ra. Các cng như th d dàng ch to bng cách cm hai ngõ vào vào cùng mt b lp tín hiu nhit: khi c hai ngõ vào là “1”, thì ngõ ra cũng là “1”; và khi c hai ngõ vào là “0”, thì ngõ ra cũng là “0”. Bng cách ơn gin thay i mt s thông s ca các b lp, chúng ta còn có th to ra tín hiu cui cùng hoc “0” hoc “1” khi hai tín hiu vào khác nhau, vì th hin thc hóa hoc cng AND hoc cng OR ( Phys. Rev. Lett. 99 177208 ). Bit thc t là diode nhit ưc hin thc hóa bng thc nghim ngay hai hay ba năm sau các mô hình lí thuyt, các nguyên mu transistor nhit và cng lôgic nhit – có l c máy tính nhit – s có mt trong tương lai gn. Trong khi ch i, công ngh phonon có th mang li công ngh cn thit cho vic tit kim năng lưng. Tt nhiên, vn có nhiu vn  kĩ thut phi vưt qua. c bit, các phonon truyn  tc  chi 1000 m/s hay ngn y – chm hơn hàng trăm ngàn ln so vi sóng in t - nghĩa là chúng ta phi tìm cách ti a hóa tc  hot ng ca các linh kin nhit nu các mng nhit phc tp có ng dng trong thc tin. Nhng vn  còn thách thc hơn na ang ch i chúng ta trên ưng hưng ti công ngh phonon. Lei Wang và Baowen Li (i hc quc gia Singapore) Ngun: Phononics gets hot (Physics World, tháng 3/2008) hiepkhachquay dch An Minh, ngày 14/03/2008, 19:50:44 . 32 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay Công ngh phonon đang nóng dn Lei Wang, Baowen Li Các nhà nghiên cứu vừa thành công trong việc chế tạo các diode nắn nhiệt, đặt nền tảng. nhiệt. Lei Wang và Baowen Li mô tả lĩnh vực đang xuất hiện thuộc công nghệ phonon . Khi nó xut hin  chuyn hóa năng lưng, t nhiên có hai công c thit yu tùy ý s dng: ó là s dn. thông tin. Vì th, công ngh phonon s thêm mt xu hưng vt lí mi cho vic x lí thông tin, ngoài in t hc và lưng t hc. Dòng nhiệt một chiều B phn công ngh phonon cơ bn nht