Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge thuộc Bộ Năng lượng Mỹ vừa đạt được một bước đột phá quan trọng khi phát triển công nghệ mô phỏng có khả năng theo dõi chính xác chuyển động của 24.000 electron theo thời gian thực. Đây là lần đầu tiên con người có thể quan sát chi tiết cách các electron "nhảy múa" khi phản ứng với ánh sáng ở cấp độ lượng tử.
 |
| Mô hình hóa phản ứng quang học theo thời gian thực trong các cấu trúc nano sử dụng RT-TDDFT giúp giải thích, hiểu và hướng dẫn các ứng dụng thế hệ tiếp theo trong khoa học và công nghệ. Ảnh: ORNL |
Công nghệ mô phỏng đột phá từ Oak Ridge
Công nghệ mô phỏng mới này được phát triển thông qua sự hợp tác giữa Oak Ridge và Đại học Bang North Carolina, kết hợp chuyên môn về phương pháp lượng tử phụ thuộc thời gian với nền tảng mô phỏng lượng tử tiên tiến. Nhóm nghiên cứu Oak Ridge đã tạo ra một hệ thống có thể theo dõi đồng thời chuyển động electron siêu nhanh của hàng chục nghìn hạt trong các vật liệu khác nhau.
Con số 24.000 electron có thể nghe trừu tượng, nhưng thực tế đây là số electron có trong khoảng 4.000 nguyên tử carbon hoặc 2.400 phân tử nước. Khi các nhà khoa học từ Oak Ridge chiếu ánh sáng vào những vật liệu này, họ có thể theo dõi từng phản ứng của electron với độ chi tiết chưa từng có.
Ứng dụng trong pin mặt trời và máy tính lượng tử
Công nghệ mô phỏng Oak Ridge hứa hẹn mang lại những ứng dụng thực tế quan trọng. Ứng dụng đầu tiên và rõ ràng nhất là trong lĩnh vực pin mặt trời. Khi hiểu được cách 24.000 electron phản ứng với ánh sáng ở cấp độ lượng tử, các kỹ sư có thể thiết kế những tấm pin quang điện hiệu quả hơn đáng kể.
Tiến sĩ Jacek Jakowski từ Oak Ridge giải thích: "Công nghệ mô phỏng của chúng tôi cho phép quan sát cách electron trong vật liệu phản ứng với ánh sáng ở độ chi tiết lượng tử cực kỳ cao. Điều này có thể dẫn đến pin mặt trời hiệu quả hơn, máy tính nhanh hơn và công nghệ lượng tử tốt hơn."
Lĩnh vực máy tính lượng tử cũng hưởng lợi lớn từ nghiên cứu Oak Ridge này. Việc kiểm soát chính xác chuyển động electron siêu nhanh là chìa khóa để xây dựng những máy tính lượng tử có thể xử lý thông tin với tốc độ và độ chính xác vượt trội so với máy tính thông thường.
Phương pháp RT-TDDFT trong công nghệ mô phỏng
Công nghệ mô phỏng Oak Ridge dựa trên phương pháp RT-TDDFT (lý thuyết phiến hàm mật độ phụ thuộc thời gian theo thời gian thực). Phương pháp này hoạt động bằng cách tính toán cách mật độ electron thay đổi khi có tác động của điện trường và ánh sáng.
Điều đặc biệt của công nghệ mô phỏng này là khả năng xử lý 24.000 electron đồng thời, đòi hỏi sức mạnh của những siêu máy tính nhanh nhất thế giới. Các nhà nghiên cứu Oak Ridge đã phát triển thuật toán tích phân thời gian có độ ổn định vượt trội, cho phép thực hiện mô phỏng dài hạn với độ sai lệch năng lượng tối thiểu.
Từ hạt nano đến vật liệu thông minh
Công nghệ mô phỏng Oak Ridge có thể áp dụng cho nhiều hệ thống diferentes, từ các phân tử hữu cơ nhỏ đến các hạt nano kim loại lớn. Các hạt nano kim loại, những mảnh kim loại có kích thước chỉ từ 1 đến 100 nanômét - có tính chất quang học độc đáo do cách hàng nghìn electron bên trong chúng tương tác với ánh sáng.
Việc hiểu rõ chuyển động electron siêu nhanh trong những hạt nano này mở ra khả năng thiết kế vật liệu thông minh có thể thay đổi tính chất theo ý muốn. Đây là bước quan trọng để phát triển các thiết bị điện tử tương lai hoạt động nhanh hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn.
Tác động đến nghiên cứu quốc tế
Nghiên cứu của Oak Ridge được công bố trên tạp chí Journal of Chemical Theory and Computation, thu hút sự chú ý của cộng đồng khoa học quốc tế. Công nghệ mô phỏng mới này có thể thay đổi cách các nhà nghiên cứu trên thế giới tiếp cận việc thiết kế vật liệu mới.
Giáo sư Bernholc từ nhóm nghiên cứu chia sẻ: "Công nghệ mô phỏng này mang lại triển vọng lớn cho việc tạo ra các thiết bị mới với tính chất điện tử, quang học và từ tính được thiết kế riêng. Chúng tôi hy vọng công nghệ mô phỏng sẽ hướng dẫn các nỗ lực thử nghiệm và đẩy nhanh những đột phá từ spintronics đến khoa học thông tin lượng tử."
Thách thức kỹ thuật và giải pháp
Việc theo dõi 24.000 electron đồng thời đặt ra những thách thức kỹ thuật to lớn. Oak Ridge đã giải quyết vấn đề này bằng cách phát triển mã nguồn mở Real-space Multigrid (RMG) với khả năng RT-TDDFT tích hợp.
Công nghệ mô phỏng này đòi hỏi thuật toán cực kỳ tinh vi để đảm bảo độ chính xác trong thời gian dài. Bất kỳ sai số nhỏ nào trong tính toán cũng có thể tích lũy và làm sai lệch kết quả cuối cùng, đặc biệt khi theo dõi 24.000 electron với chuyển động electron siêu nhanh.
Tương lai của công nghệ mô phỏng
Các bước tiếp theo trong dự án Oak Ridge bao gồm việc mở rộng công nghệ mô phỏng cho những kịch bản phức tạp hơn. Mục tiêu là khám phá những hiện tượng vật lý mới trong các hệ thống lượng tử và nâng cao hiệu quả để xử lý những mô phỏng quy mô lớn hơn 24.000 electron.
Công nghệ mô phỏng Oak Ridge có thể sẽ được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu vật liệu, từ việc phát triển pin mặt trời hiệu quả hơn đến thiết kế máy tính lượng tử mạnh mẽ hơn. Điều này đặc biệt quan trọng khi thế giới đang hướng tới một tương lai bền vững và công nghệ cao.
Ý nghĩa đối với khoa học vật liệu Việt Nam
Công nghệ mô phỏng Oak Ridge cũng mở ra cơ hội hợp tác quốc tế cho các nhà khoa học Việt Nam. Việc hiểu và ứng dụng chuyển động electron siêu nhanh có thể giúp Việt Nam phát triển công nghệ pin mặt trời và máy tính lượng tử trong tương lai.
Nghiên cứu theo dõi 24.000 electron đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong khoa học vật liệu toàn cầu. Từ Oak Ridge, công nghệ mô phỏng này hứa hẹn sẽ lan tỏa và tạo ra những ứng dụng thực tế có thể thay đổi cuộc sống của chúng ta trong những thập kỷ tới.
