Đột phá tản nhiệt chip AI: Thiết bị nhiệt lập trình được với hiệu suất phi tương hỗ đạt 0.9

Theo tin từ IT ngày 15 tháng 7, trang tin công nghệ Tom's Hardware đã đăng tải bài viết vào ngày hôm qua (14 tháng 7), báo cáo rằng nhóm nghiên cứu tại Đại học Công lập Osaka đã phát triển một thiết bị nhiệt có thể lập trình với hệ số phi tương hỗ (non-reciprocal factor) gần bằng 0,9. Thiết bị này có khả năng ghi nhớ trạng thái cấu hình ngay cả sau khi mất điện, cho phép kiểm soát nhiệt lượng theo hướng ở góc tới gần như vuông góc.

Lưu ý của IT: Trong vật lý học và quang học tiên tiến, hệ số phi tương hỗ (Non-reciprocal factor, thường ký hiệu là η) là đại lượng vật lý dùng để định lượng mức độ "phá vỡ tính đối xứng đảo ngược thời gian" của một hệ thống.

Trong bức xạ nhiệt, nếu hệ số phi tương hỗ ở một bước sóng nhất định đạt 0,9, điều đó có nghĩa là ở góc độ đó, độ hấp thụ phổ theo chiều thuận cao hơn độ phát xạ phổ theo chiều nghịch tới 0,9 (đạt được sự mất cân bằng cực lớn giữa hấp thụ và bức xạ). Điều này có thể vượt qua giới hạn bức xạ vật đen truyền thống, giúp cải thiện đáng kể hiệu suất thu năng lượng của các hệ thống nhiệt quang điện (TPV) hoặc làm mát bằng bức xạ.

Công nghệ này mang lại những hiểu biết mới để vượt qua Định luật bức xạ nhiệt Kirchhoff (Kirchhoff's Law of Thermal Radiation). Định luật này được đưa ra vào năm 1859, phát biểu rằng trong trạng thái cân bằng nhiệt, độ phát xạ nhiệt của một vật thể bằng với độ hấp thụ nhiệt của nó, điều này đã hạn chế khả năng kiểm soát nhiệt chính xác của các kỹ sư.

Các nhà nghiên cứu đã khám phá nhiều phương pháp khác nhau để phá vỡ tính tương hỗ Lorentz nhằm đạt được mục tiêu này. Định lý tương hỗ Lorentz là một nguyên lý cơ bản cực kỳ quan trọng trong điện từ học cổ điển và các hệ thống tuyến tính. Trong các hệ thống tuyến tính, đẳng hướng (hoặc tensor đối xứng) và không thay đổi theo thời gian, nếu hoán đổi vị trí của nguồn bức xạ và điểm quan sát, phản ứng trường đo được sẽ không thay đổi.

Hầu hết các phương pháp đều dựa vào vật liệu từ quang, bán kim loại Weyl từ tính hoặc bề mặt siêu cấu trúc (metasurface) điều biến chủ động. Tuy nhiên, các thiết kế này thường đối mặt với hai thách thức lớn. Thứ nhất, chúng yêu cầu ánh sáng phải chiếu vào bề mặt ở góc rất nghiêng (góc lướt) mới tạo ra được tính định hướng mạnh; thứ hai, nhiều thiết kế hiện có không ổn định. Một khi từ trường, tín hiệu điện hoặc nguồn nhiệt điều khiển chúng bị loại bỏ, các đặc tính của chúng sẽ biến mất.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Công lập Osaka đã khắc phục được hai hạn chế nêu trên bằng cách kết hợp hai loại vật liệu có chức năng bổ trợ cho nhau. Cốt lõi của thiết bị được cấu tạo từ chất bán dẫn từ quang Indium Arsenide (InAs) và vật liệu chuyển pha Germanium-Antimony-Telluride (GST).

InAs tạo ra tính bất đối xứng định hướng dưới tác động của từ trường, hiện thực hóa hành vi nhiệt phi tương hỗ, cung cấp khả năng kiểm soát hướng để tách biệt giữa hấp thụ nhiệt và bức xạ nhiệt. Lớp GST đóng vai trò như một công tắc không bay hơi, có thể chuyển đổi thuận nghịch giữa trạng thái vô định hình và trạng thái tinh thể, cho phép lưu trữ vĩnh viễn chế độ hoạt động của thiết bị ngay cả khi mất điện.

Các nhà nghiên cứu cho biết, hệ thống nguyên mẫu này có thể đạt được hệ số phi tương hỗ gần bằng 0,9 chỉ ở góc tới 3 độ, gần với góc tới vuông góc hơn nhiều so với các thiết kế trước đây vốn thường yêu cầu góc tới rất lớn.

Về triển vọng ứng dụng, mặc dù công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn xác minh tại phòng thí nghiệm, nhưng nó hứa hẹn sẽ trở thành công cụ mới giúp các kỹ sư dẫn nhiệt ra khỏi các điểm nóng, giảm nhiễu nhiệt giữa các chip và ổn định hiệu suất của các thiết bị quang tử silicon.

Ngoài lĩnh vực tính toán, nhóm nghiên cứu dự đoán công nghệ này còn có thể được ứng dụng trong làm mát bằng bức xạ, chuyển đổi năng lượng nhiệt quang điện, bộ phát hồng ngoại và lưu trữ quang tử. Tuy nhiên, từ trình diễn trong phòng thí nghiệm đến các thiết bị điện tử thương mại có thể triển khai vẫn còn đối mặt với những thách thức kỹ thuật to lớn.

Tham khảo

Reconfigurable Giant Nonreciprocity at Near-Normal Incidence via Phase-Change Magneto-Optical Metagratings

Tuyên bố quảng cáo: Các liên kết chuyển hướng bên ngoài trong bài viết (bao gồm nhưng không giới hạn ở siêu liên kết, mã QR, mật khẩu, v.v.) được sử dụng để truyền tải thêm thông tin, tiết kiệm thời gian sàng lọc, kết quả chỉ mang tính chất tham khảo. Tất cả các bài viết của IT đều bao gồm tuyên bố này.