Để phát triển các thế hệ máy tính và thiết bị điện tử trong tương lai, các nhà khoa học cần hiểu rõ cách những hệ thống này tiêu thụ và thất thoát năng lượng ở cấp độ vi mô. Tuy nhiên, việc đo lường năng lượng trong các thiết bị cực nhỏ không hề đơn giản, bởi các quá trình xử lý thông tin, lưu trữ dữ liệu và truyền năng lượng trong chúng luôn diễn ra trong trạng thái không cân bằng nhiệt động - tức là năng lượng liên tục chảy qua hệ thống thay vì đạt tới trạng thái ổn định.

Trong một nghiên cứu mới công bố trên tạp chí Nature Physics, các nhà khoa học tại Đại học Stanford đã phát triển một kỹ thuật mới cho phép định lượng trực tiếp sự tiêu tán năng lượng trong các hệ nano phức tạp với độ nhạy rất cao. Phương pháp này kết hợp giữa mô hình lý thuyết, thí nghiệm vật lý và học máy, qua đó giúp đo được chi phí năng lượng trong các quá trình không cân bằng, điều vốn rất khó thực hiện trước đây.

Nhóm nghiên cứu sử dụng chấm lượng tử - các tinh thể nano cực nhỏ có khả năng phát sáng do các hiệu ứng lượng tử. Bằng cách theo dõi hành vi phát sáng của các chấm lượng tử, các nhà khoa học có thể đo việc sinh entropy, một đại lượng vật lý cho biết mức độ không thuận nghịch của một quá trình. Đại lượng này đồng thời phản ánh mức độ mất mát thông tin, chi phí năng lượng và các giới hạn vật lý liên quan đến tốc độ xử lý của thiết bị. Nhờ vậy, các phép đo có thể giúp xác định thiết bị có thể hoạt động nhanh đến đâu và đạt hiệu suất năng lượng tối đa như thế nào.

Theo Grant Rotskoff, phó giáo sư hóa học tại Stanford và đồng tác giả nghiên cứu, việc đo trực tiếp entropy trong các hệ vật liệu thực là một thách thức rất lớn. Ông cho biết ban đầu cần nhiều bằng chứng để thuyết phục rằng phương pháp này thực sự đo đúng đại lượng cần thiết, bởi đây là một trong những phép đo khó nhất trong vật lý thống kê thực nghiệm.

Trong các hệ thống nhiệt động học quen thuộc như động cơ, hiệu suất năng lượng có thể được đo khá dễ dàng. Nhưng khi thu nhỏ xuống thang nano hoặc lượng tử, các công cụ đo truyền thống không còn hiệu quả. Điều này tạo ra khoảng cách lớn giữa các mô hình lý thuyết và khả năng kiểm chứng bằng thí nghiệm. Để vượt qua trở ngại này, nhóm nghiên cứu đã khai thác một đặc tính đặc biệt của chấm lượng tử: chúng nhấp nháy ánh sáng theo những mô hình thống kê nhất định. Khi không có trường điện tác động, sự nhấp nháy tuân theo một quy luật thống kê ổn định. Khi trường điện được bật, mô hình này thay đổi, khiến hệ chuyển sang trạng thái không cân bằng. Chính sự thay đổi này cho phép các nhà khoa học theo dõi cách năng lượng và thông tin bị tiêu tán trong hệ. Sau khi thu thập dữ liệu thí nghiệm, họ sử dụng thuật toán học máy để tối ưu hóa các tham số trong mô hình vật lý mô tả hệ thống. Từ mô hình đã hiệu chỉnh này, nhóm nghiên cứu có thể tính toán chính xác lượng entropy được tạo ra trong các chấm lượng tử.

Công trình này tận dụng nhiều tiến bộ gần đây trong lĩnh vực thị giác máy tính, học máy và năng lực tính toán, những yếu tố trước đây chưa đủ phát triển để cho phép thực hiện các phép đo phức tạp như vậy. Nhờ các công cụ mới, việc theo dõi và phân tích hành vi của các chấm lượng tử ở quy mô lớn đã trở nên khả thi.

Ý nghĩa đối với công nghệ tương lai

Theo các nhà nghiên cứu, phương pháp mới không chỉ giúp hiểu rõ hơn về cách năng lượng bị tiêu tán trong các hệ vật lý nhỏ mà còn có thể trở thành công cụ quan trọng để thiết kế các thiết bị điện tử tiêu thụ ít năng lượng, ổn định và hoạt động nhanh hơn. Khi có thể đo trực tiếp sự tiêu tán năng lượng trong các hệ không cân bằng, các nhà khoa học sẽ có cơ sở để tìm ra những cách tối ưu hóa quá trình vận hành của thiết bị. Nhóm nghiên cứu cho rằng việc hiểu rõ các giới hạn vật lý của quá trình xử lý thông tin ở cấp độ nano có ý nghĩa công nghệ lớn, bởi nó có thể giúp định hình những thế hệ máy tính và thiết bị điện tử hiệu suất cao trong tương lai.