Chưa từng có trong lịch sử: Láng giềng Việt Nam chế tạo hợp kim lạnh nhất thế giới, kỳ vọng thay đổi cuộc đua máy tính lượng tử toàn cầu

Các nhà nghiên cứu Trung Quốc vừa công bố một loại hợp kim đất hiếm mới có khả năng làm lạnh cực sâu và hiệu quả, được cho là có thể làm thay đổi sự phụ thuộc kéo dài nhiều thập kỷ vào helium-3 – yếu tố then chốt trong công nghệ làm lạnh siêu thấp hiện nay.

Đồng thời, công nghệ này được kỳ vọng sẽ tạo tác động lớn tới cuộc đua toàn cầu về phát triển máy tính lượng tử và các thiết bị dò siêu nhạy.

Một “tủ lạnh mini” sử dụng hợp kim này đã đạt tới mức nhiệt gần độ không tuyệt đối mà không cần bộ phận chuyển động cơ học.

Theo Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS), hợp kim mới “có tiềm năng sản xuất hàng loạt”, và nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công mô-đun làm lạnh kim loại nguyên chất dựa trên vật liệu này.

CAS cho biết mô-đun làm lạnh hiệu suất cao có thể cung cấp nguồn làm lạnh ổn định, di động cho chip lượng tử, đồng thời hỗ trợ các dự án thăm dò không gian nhờ hệ thống làm lạnh tự chủ. Theo cơ quan này, đây là một “giải pháp của Trung Quốc” giúp chấm dứt sự phụ thuộc vào helium-3.

Công nghệ làm lạnh gần độ không tuyệt đối

Trong vật lý, nhiệt độ thấp nhất có thể đạt tới là 0 Kelvin (tương đương -273,15°C), còn gọi là độ không tuyệt đối. Khi vật chất tiến gần mức nhiệt này, nhiều đặc tính vật lý thay đổi mạnh mẽ: helium lỏng gần như mất ma sát, thủy ngân trở thành chất siêu dẫn và nhiều thí nghiệm lượng tử tiên tiến mới có thể thực hiện.

Hiện nay, để đạt tới mức nhiệt cực thấp, các phòng thí nghiệm chủ yếu sử dụng tủ lạnh pha loãng, công nghệ phụ thuộc vào helium-3.

Helium-3 là một đồng vị hiếm của helium và phần lớn phải nhập khẩu vào Trung Quốc. Nguồn cung chủ yếu gắn với các chương trình vũ khí hạt nhân tại Mỹ và Nga, cũng như những nhà máy điện hạt nhân dân sự ở Canada.

Phương pháp làm lạnh hoàn toàn khác

Theo nghiên cứu công bố trên Nature ngày 11/2, nhóm nghiên cứu sử dụng một kỹ thuật làm lạnh thể rắn hoàn toàn khác gọi là làm lạnh khử từ đoạn nhiệt (ADR).

Quá trình này có thể hình dung đơn giản như sau: Hợp kim từ tính được đặt trong môi trường nhiệt độ thấp.

Khi áp dụng từ trường, các “nam châm vi mô” bên trong vật liệu sẽ sắp xếp thẳng hàng, giải phóng nhiệt ra ngoài.

Khi vật liệu được cách ly và từ trường bị loại bỏ, các nam châm vi mô trở lại trạng thái hỗn loạn, hấp thụ nhiệt và làm giảm nhiệt độ của chính vật liệu.

Trở ngại lớn nhất của phương pháp này trước đây là khả năng dẫn nhiệt kém của vật liệu truyền thống: chúng có thể tự làm lạnh nhưng khó truyền cái lạnh sang các bộ phận xung quanh.

Nhóm nghiên cứu gồm Viện Vật lý Lý thuyết và Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì thuộc CAS, phối hợp với Đại học Giao thông Thượng Hải, đã phát hiện một hợp chất đất hiếm mới mang tên EuCo2Al9 (ECA). Vật liệu này có độ dẫn nhiệt tương đương kim loại, giúp truyền năng lượng lạnh ra môi trường xung quanh hiệu quả hơn.

Theo CAS, công nghệ ADR sử dụng ECA đã đạt nhiệt độ thấp nhất 106 millikelvin, lập kỷ lục mới đối với vật liệu kim loại. Ở mức nhiệt cực thấp này, độ dẫn nhiệt của ECA cao hơn 10 – 100 lần so với các vật liệu làm lạnh từ tính truyền thống, qua đó vượt qua nút thắt quan trọng trong việc khai thác năng lượng làm lạnh.

Triển vọng cho máy tính lượng tử

Phương pháp ADR không cần helium-3 đang ngày càng được giới nghiên cứu quan tâm. Năm 2024, Đại học Bắc Kinh đã chế tạo 2 hệ thống làm lạnh dựa trên nguyên lý này phục vụ nghiên cứu máy tính lượng tử và chúng đã vận hành ổn định trong nhiều tháng.

Hiện nay, các máy tính lượng tử siêu dẫn phải sử dụng tủ lạnh pha loãng kích thước lớn để hạ nhiệt chip xuống dưới ngưỡng 1 Kelvin.

Trong tương lai, những mô-đun làm lạnh nhỏ gọn như ECA có thể trở thành yếu tố then chốt giúp thu nhỏ quy mô máy tính lượng tử, mở đường cho các hệ thống gọn nhẹ và linh hoạt hơn.