Laser biến chất cách điện thành kim loại

Một đội nghiên cứu quốc tế vừa chứng minh rằng có thể dùng một xung ánh sáng cực ngắn để biến một chất cách điện thành kim loại, cho phép dòng điện bật tắt trong khoảng thời gian ngắn vài femto giây (fs). Công nghệ có thể khai thác để chế tạo những transistor nhanh gấp 10.000 lần hiện nay. Hiệu ứng còn có thể lát đường cho một phương pháp rẻ tiền và đơn giản đặc trưng hóa những xung laser cực nhanh – cái hiện nay làm rất tốn kém.

Nghiên cứu được báo cáo trong hai bài báo trên tạp chí Nature. Trong bài báo thứ nhất, Agustin Schiffrin và Ferenc Krausz thuộc Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Đức, Mark Stockman thuộc trường Đại học Georgia ở Mĩ và các đồng sự mô tả cái xảy ra khi bạn chiếu những xung laser ngắn nhưng cực mạnh vào một mẩu silicon dioxide.

Silicon dioxide là một chất cách điện với khe năng lượng 9 eV phân cách giữa dải hóa trị và dải dẫn của nó. Trái lại, khe năng lượng ở silicon là khoảng 1,1 eV; điều này có nghĩa là, trên nguyên tắc, một công tắc làm bằng silicon dioxide có thể hoạt động nhanh hơn một công tắc silicon bình thường nhiều lần. Tuy nhiên, vấn đề là một công tắc bằng silicon dioxide sẽ phải hoạt động với điện trường rất cao, gây đánh thủng điện.

Sơ đồ phép đo thực hiện trên mẩu silicon dioxide với hai điện cực bằng vàng. Cái nêm làm bằng silicon dioxide và hai hai mặt bên được mạ vàng. Xung laser (màu đỏ) đi tới silicon dioxide tại đỉnh nêm và dòng điện được đo bằng cách nối một điện kế giữa hai điện cực. (Ảnh: CHH/attoworld.de)

Khép kín khe năng lượng

Một cách giải quyết vấn đề này là thiết lập một điện trường mạnh trong một khoảng thời gian cực ngắn, để cho sự đánh thủng không xảy ra. Khi có điện trường đặt vào, một số trạng thái electron trong dải hóa trị tăng năng lượng, còn một số trạng thái trong dải dẫn giảm năng lượng. Hệ quả là một sự giảm đáng kể lượng năng lượng cần thiết để tạo ra một electron dẫn và chất liệu trở thành chất dẫn điện.

Đội nghiên cứu đã tạo ra điện trường ngắn ngủi này bằng cách sử dụng các xung laser chỉ kéo dài 4 fs – ngắn đến mức chúng chỉ gồm khoảng 1,5 chu kì của một sóng điện từ. Các xung laser được chiếu vào một miếng silicon dioxide có hai điện cực bằng vàng trên mặt của nó. Chúng được nhắm vào khe trống 50 nm giữa hai điện cực và ánh sáng bị phân cực sao cho điện trường của nó song song với bề mặt silicon dioxide và dao động tới lui giữa hai điện cực (xem hình).

Quét tới quét lui

Xung laser tạo ra các electron dẫn, chúng chịu lực tác dụng của điện trường của xung. Những electron này trước tiên bị quét về phía một điện cực vàng, sau đó quét về phía bên kia khi hướng của điện trường đảo lại. Hiệu ứng này được đo bằng cách nối hai điện cực bằng một điện kế và đo dòng điện.

Để chứng tỏ rằng sự biến đổi khe năng lượng và sự sinh dòng điện là những quá trình độc lập, đội nghiên cứu đã làm một thí nghiệm khác sử dụng hai xung laser. Một xung có điện trường của nó chạy dọc theo khe nên nó không thể quét các electron về phía điện cực nhưng vẫn có thể làm thay đổi cấu trúc khe năng lượng. Xung thứ hai có điện trường của nó chạy giữa hai điện cực. Xung thứ hai được lập một cường độ thấp hơn nhiều, nên nó có thể quét các electron dẫn nhưng không làm biến đổi cấu trúc dải năng lượng. Đúng như trông đợi, dòng điện vẫn được nhìn thấy.

Trong khi thí nghiệm cho thấy một chất bán dẫn có thể biến thành chất dẫn trong khoảng thời gian khoảng 1 fs, nhưng nó không cung cấp bằng chứng trực tiếp rằng hệ trở lại thành chất bán dẫn trong khoảng thời gian chừng 1 fs – cái thiết yếu để xây dựng những mạch điện hoạt động ở thang thời gian femto giây.

Xác nhận khoảng lặng femto giây

Đội nghiên cứu đã làm một thí nghiệm thứ hai, phức tạp hơn, được mô tả trong bài báo thứ hai. Thí nghiệm này đo độ hấp thụ và phản xạ ánh sáng từ mẩu chất silicon dioxide – cái xác nhận rằng hiệu ứng thật sự bị ngắt trong khoảng 1 fs.

Schiffrin mô tả kết quả đăng trên tạp chí Nature là một bằng chứng trên nguyên lí rằng một xung laser cực nhanh, cường độ mạnh có thể dùng để ngắt mở một dụng cụ bán dẫn. “Hiện nay, chúng ta có thể có trên nguyên lí một dụng cụ hoạt động nhanh gấp 10.000 lần một transistor có thể hoạt động ở tốc độ 100 GHz,” Stockman bổ sung thêm. Để khảo sát khả năng này, đội khoa học hiện đang tìm hiểu làm thế nào có thể kết nối hai công tắc để tạo ra một cổng lôgic. Sự kết hợp giữa các dụng cụ có thể thu được nhờ các plasmon – những dao động bị lượng tử hóa của các electron dẫn trong một chất liệu.

Mặc dù việc chế tạo ra những dụng cụ lôgic như vậy trong phòng thí nghiệm không khó, nhưng bất cứ ai muốn chế tạo ra những dụng cụ thương mại thực tiễn thì trước tiên phải chế tạo ra những laser chi phí thấp có thể cung cấp những xung thích hợp. Đây sẽ là một thách thức công nghệ lớn. Nhưng Schiffrin tin rằng có thể làm được.

Trước mắt, Schiffrin cho biết các cấu trúc silicon dioxide và vàng có thể rất hữu ích trong việc đặc trưng hóa công suất phát của những laser cực nhanh – cái hiện nay liên quan đến những phép đo được thực hiện trong điều kiện chân không cực cao và sử dụng các quang phổ kế electron đắt tiền. Thật vậy, đội khoa học hiện đang đăng kí bằng sáng chế cho một dụng cụ đặc biệt như thế.

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp