Công nghệ phonon đang nóng dần

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'công nghệ phonon đang nóng dần', tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ phonon đang nóng dần

Công ngh phonon đang nóng d n Lei Wang, Baowen Li Các nhà nghiên c u v a thành công trong vi c ch t o các diode n n nhi t, t n n t ng cho transistor và m ch logic nhi t. Lei Wang và Baowen Li mô t lĩnh v c ang xu t hi n thu c “công ngh 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 32 http://www.thuvienvatly.info | © 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 nhi t m t chi u 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 N m t a tr lên cao y 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. 33 Tuy n Physics World 2008 | © 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 on 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 on l n hơn nhi t on 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 34 http://www.thuvienvatly.info | © 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 phN có m t trên th m 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 35 Tuy n Physics World 2008 | © 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. B ng t m ch 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 (TG) tăng, thì c dòng thu (JD) và dòng ngu n (JS) tăng theo g n 100 l n. c bi t, dòng c ng JG = JS – JD là b ng không khi TG ≈ 0,03 và TG ≈ 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 TG = 0,03 và b t nó sang “on” b ng cách làm cho TG = 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 (TO) luôn g n b ng TG. 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. 36 http://www.thuvienvatly.info | © 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 nhi t 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 chuN nhưng trong m t m ch nhi t, chúng ư c nh nghĩa b ng hai nhi t n, chuN Ton và Toff. n: 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 chuN nh trư c, thì tín hi u ra là giá n tr chuN chính xác ó. n i u này có th d dàng thu ư c trong m t transistor nhi t. Khi nhi t c a c ng, TG, g n nhưng không chính xác b ng v i Ton ho c Toff, 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 Ton ho c Toff. 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 Ton ho c là r t g n v i Toff. 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, 37 Tuy n Physics World 2008 | © 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 38 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay