Vật chất có khả năng ghi nhớ và học hỏi như não người

Theo nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí Nature Electronics, các nhà khoa học đã phát hiện ra một hợp chất có khả năng "ghi nhớ” toàn bộ kích thích từ bên ngoài trước đó.

Vanadium Dioxide (VO2) cũng là vật chất đầu tiên sở hữu khả năng này. Phát hiện này mang ý nghĩa đặc biệt đối với sự phát triển của các thiết bị điện tử, đặc biệt là khả năng xử lý và lưu trữ dữ liệu.

Vanadium Dioxide (VO2) tự thay đổi cấu trúc theo nhiệt độ. Ảnh: Argonne National Laboratory.

Nghiên cứu sinh Mohammad Samizadeh Nikoo vô tình khám phá điều này khi tiến hành nghiên cứu về sự chuyển pha trong VO2. Cụ thể, ở dưới 68 độ C, VO2 là một chất cách nhiệt. Tuy nhiên, khi đạt tới nhiệt độ cực hạn, VO2 đột ngột chuyển sang kim loại có khả năng dẫn nhiệt tốt, hệt như một chiếc công tắc chuyển đổi trạng thái.

Đi ngược mọi định luật, khả năng lưu trữ đến 3 giờ

Thực tế, khả năng có một không hai này của VO2 từng gây sốt giới khoa học vào năm 2018 khi phủ định Định luật Wiedemann-Franz cho rằng vật dẫn điện tốt sẽ dẫn nhiệt tốt.

Phải mất rất nhiều thời gian sau đó, các nhà khoa học mới đưa ra kết luận: Khi nhiệt độ tăng, cách các nguyên tử tự sắp xếp theo kiểu mạng tinh thể của VO2 đã thay đổi. Sau đó khi nhiệt độ giảm, vật chất này trở lại trạng thái cách nhiệt như ban đầu.

Nhóm của Nikoo cũng thay đổi nhiệt độ để nghiên cứu xem VO2 mất bao lâu để chuyển từ chất cách nhiệt sang kim loại dẫn điện và ngược lại. Sau nhiều lần đo đạc, nhóm nghiên cứu này phát hiện ra một điều gì đó rất lạ.

Mặc dù trở lại trạng thái ban đầu như cũ, VO2 hoạt động như thể nó ghi nhớ các hoạt động gần đây.

Các thí nghiệm bao gồm đến việc đưa một dòng điện có một đường dẫn chính xác từ bên này sang bên kia vào VO2. Dòng điện làm nóng VO2, khiến nó thay đổi trạng thái là sự sắp xếp lại cấu trúc nguyên tử. Khi dòng điện bị loại bỏ, cấu trúc nguyên tử giãn trở lại.

VO2 sở hữu khả năng ghi nhớ như não người. Ảnh: EPFL/JAMANI CAILLET.

Khi dòng điện được áp dụng lại, mọi thứ trở nên thú vị hơn. Sau khi truyền xung điện thứ hai cho VO2, Nikoo rút ra kết luận: Lịch sử của vật liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến việc mất bao lâu để thay đổi trạng thái.

“VO2 dường như 'ghi nhớ' sự chuyển đổi giai đoạn đầu tiên và dự đoán giai đoạn tiếp theo. Thật bất ngờ khi thấy loại hiệu ứng như kiểu bộ nhớ này và nó hoàn toàn không liên quan gì đến trạng thái điện tử mà là với cấu trúc vật lý của vật chất. Đó là một khám phá mới lạ và không có bất kỳ vật chất nào khác sở hữu đặc tính này", kỹ sư điện Elison Matioli trong nhóm nghiên cứu chia sẻ.

Nghiên cứu của nhóm cho thấy VO2 có khả năng lưu trữ một số loại thông tin về dòng điện được truyền vào gần đây nhất trong ít nhất 3 giờ. Tuy nhiên, theo Matioli, trên thực tế, bộ nhớ này có thể dài hơn đáng kể nhưng nhóm không có công cụ cần thiết để đo lường.

Bước tiến lớn cho các thiết bị lưu trữ

Chiếc “công tắc” của VO2 rất giống hoạt động của các tế bào thần kinh trong não người, đóng vai trò như một đơn vị ghi nhớ và bộ xử lý tính toán. Nhóm mô tả vật chất này sở hữu công nghệ tính toán mô phỏng hoạt động thần kinh của não người. Do đó, việc tính toán dựa trên một hệ thống tương tự mang tới lợi thế hoàn toàn ưu việt thực sự so với các chip bán dẫn và bảng mạch cổ điển.

“Chúng tôi ghi nhận trạng thái cấu trúc tồn tại lâu dài có thể truy cập điện tử xuất hiện trong Vanadium Dioxide mang đến một sơ đồ lưu trữ và xử lý dữ liệu. Một khối kính VO2 hoàn toàn vượt trội chip bán dẫn Mosfet về tốc độ, mức tiêu thụ năng lượng và diện tích. Ngoài ra, nó cung cấp tính toán thần kinh và ghi nhớ đa cấp", Nikoo cho biết.

Bởi vì đặc tính kép vừa cách nhiệt vừa dẫn điện này của VO2, nó có thể đánh dấu tất cả ô trong danh sách mong muốn cho các thiết bị bộ nhớ. Điều này mở ra tiềm năng to lớn về phần cứng dung lượng lớn, tốc độ cao và khả năng mở rộng vùng nhớ.

VO2 mở ra tiềm năng to lớn về phần cứng dung lượng lớn, tốc độ cao và khả năng mở rộng vùng nhớ. Ảnh: Nature Electronics.

Ngoài ra, các thuộc tính của VO2 còn mang lại cho nó một lợi thế trên các thiết bị bộ nhớ mã hóa dữ liệu ở định dạng nhị phân, vốn được điều khiển bởi trạng thái điện.

Anh Tuấn