Một nhóm nghiên cứu tại Đại học Kỹ thuật Đan Mạch (DTU) gần đây đã thông báo rằng họ đã chế tạo được máy laser nano siêu nhỏ mới trong màng bán dẫn, thực hiện một bước quan trọng hướng tới việc sử dụng photon thay vì electron để truyền thông tin bên trong chip. Các nhà nghiên cứu cho biết thiết bị này đủ nhỏ để tích hợp hàng nghìn chúng vào một vi mạch, dự kiến ​​sẽ tăng đáng kể tốc độ xử lý dữ liệu đồng thời giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng.

Hiện tại, đường trục Internet từ lâu đã dựa vào ánh sáng truyền trong sợi quang để truyền dữ liệu lớn. Tuy nhiên, trong một máy tính và chip máy chủ, thông tin vẫn chủ yếu truyền qua dây kim loại thông qua tín hiệu điện. Điều này không chỉ gây ra sự tích tụ nhiệt mà còn hạn chế giới hạn hiệu suất trên. Laser nano do nhóm DTU phát triển chính xác là để giải quyết vấn đề “dặm cuối” này: bằng cách tạo và xử lý các tín hiệu quang trực tiếp trên chip, tích hợp chặt chẽ điện toán điện tử và kết nối quang tử.

Lõi của thiết bị là một cấu trúc quang học được gọi là "nanocavity", có thể giam giữ mạnh mẽ ánh sáng trong một thể tích không gian rất nhỏ, giới hạn trường ánh sáng và electron ở quy mô mà trước đây được coi là gần như không thể đạt được. Các nhà nghiên cứu đã chuẩn bị tia laser này trong phòng sạch chế tạo nano của DTU (DTU Nanolab). Nguyên lý hoạt động của nó là kích thích các electron và ánh sáng thông qua sự kích thích chùm tia bên ngoài, sao cho các electron và ánh sáng liên kết chặt chẽ trong một diện tích nhỏ trong màng bán dẫn, từ đó đạt được công suất laser ổn định ở nhiệt độ phòng với mức tiêu thụ năng lượng cực thấp.

Trưởng dự án Jesper Mørk, giáo sư tại DTU, chỉ ra rằng tia laser nano này mở đường cho một thế hệ thiết bị quang điện tử mới kết hợp hiệu suất cao với kích thước cực nhỏ. Chẳng hạn, ông cho biết, trong lĩnh vực công nghệ thông tin, các nguồn laser siêu nhỏ, năng lượng thấp được kỳ vọng sẽ làm giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng tổng thể của máy tính; trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khỏe, vì cấu trúc này có thể đạt được nồng độ trường ánh sáng cực cao nên nó dự kiến ​​sẽ được sử dụng để thu được hình ảnh có độ phân giải cao hơn và chế tạo các cảm biến sinh học có độ nhạy cực cao.

Hiện tại, mức tiêu thụ năng lượng của các trung tâm dữ liệu lớn trên thế giới tiếp tục tăng. Sự mất năng lượng và áp suất tản nhiệt do kết nối bên trong các chip tạo ra là một trong những nguyên nhân quan trọng. Mørk ước tính rằng nếu loại công nghệ laser nano này có thể được áp dụng cho các kết nối quang trên chip trên quy mô lớn thì mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống máy tính dự kiến ​​sẽ giảm khoảng một nửa. Đồng thời, nó sẽ mở ra một bước nhảy vọt mới về tốc độ truyền và thời gian phản hồi, điều này sẽ có tác động sâu sắc đến nhiều thiết bị khác nhau từ điện thoại thông minh đến các trung tâm dữ liệu quy mô cực lớn.

Kích thước và thiết kế của máy phát laser nano này dựa trên nhu cầu của các chip trong tương lai: dự kiến ​​sẽ cần hàng nghìn nguồn sáng nhỏ gọn và hiệu quả bên trong chip để hoàn thành việc truyền và nhận tín hiệu quang giữa các đơn vị chức năng khác nhau. Để đạt được điều này, nhóm nghiên cứu không chỉ vượt qua giới hạn về kích thước vật lý của laser truyền thống mà còn tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng để vẫn có thể hoạt động với công suất kích thích cực thấp.

Hiện tại, thiết bị vẫn được bơm và điều khiển bằng nguồn sáng bên ngoài. Vấn đề kỹ thuật quan trọng tiếp theo là cho phép tia laser nano được điều khiển trực tiếp bằng dòng điện để thực sự tích hợp sâu với các quy trình đóng gói và sản xuất chip hiện có. Nhóm nghiên cứu tin rằng một khi đạt được truyền động điện và các vấn đề kỹ thuật như độ tin cậy và sản xuất quy mô lớn được giải quyết, công nghệ này dự kiến ​​sẽ rời khỏi phòng thí nghiệm và đi vào các kịch bản ứng dụng thực tế trong vòng 5 đến 10 năm tới.

Từ góc độ ngành rộng hơn, nếu máy laser nano điều khiển bằng điện hoàn thiện, nó sẽ thúc đẩy việc nâng cấp kép các sản phẩm điện tử tiêu dùng về mức tiêu thụ điện năng và hiệu suất, cho phép thiết bị đầu cuối hoàn thành các nhiệm vụ phức tạp hơn với mức tiêu thụ năng lượng thấp hơn. Đối với các trung tâm dữ liệu mà điện toán đám mây và đào tạo trí tuệ nhân tạo dựa vào, kết nối quang tích hợp có thể giảm đáng kể chi phí điện năng và làm mát đồng thời giảm lượng khí thải carbon dioxide liên quan, mang đến một lộ trình mới cho "chuyển đổi xanh" cơ sở hạ tầng thông tin.

Cấu trúc khoang nano này ban đầu được đề xuất và phát triển bởi nhóm Giáo sư Ole Sigmund của DTU Construct, nhóm đã đặt nền tảng thiết kế cho việc hiện thực hóa các tia laser tiếp theo. Công việc này được thực hiện bởi Meng Xiong, Yi Yu và các nhà nghiên cứu khác. Kết quả được công bố trên tạp chí “Science Advances” vào ngày 17 tháng 12 năm 2025. Bài báo có tựa đề “Một tia laser nano với khả năng giam cầm điện môi cực cao” và đã nhận được tài trợ từ Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Đan Mạch, chương trình “Horizon 2020” của Liên minh Châu Âu và Dự án các nhà nghiên cứu trẻ của Quỹ Villum.