Vật liệu từ tính là xương sống của các công nghệ thông tin kỹ thuật số hiện đại, chẳng hạn như bộ lưu trữ ổ cứng. Hiện nhóm nghiên cứu do các nhà nghiên cứu Trường Đại học Washington dẫn đầu đã tiến thêm một bước phát triển nữa nhờ vào việc mã hóa thông tin ứng dụng nam châm có chỉ độ dày vài lớp nguyên tử. Bước đột phá này có thể cách mạng hóa cả các công nghệ điện toán đám mây và điện tử tiêu dùng khi có thể cho phép lưu trữ dữ liệu ở mật độ lớn hơn và cải thiện hiệu quả năng lượng.
Trong một nghiên cứu được công bố trực tuyến trên tạp chí Science, các nhà nghiên cứu cho biết họ đã sử dụng lượng lớn vật liệu siêu mỏng để kiểm soát toàn bộ các dòng electron dựa trên hướng quay của chúng. Các vật liệu họ sử dụng bao gồm 4 tấm crom tri-iodua (CrI3), loại vật liệu vào năm 2017 được xem như là chất cách điện từ 2 chiều đầu tiên. Bốn tấm vạt liệu này – mỗi tấm chỉ dày 1 nguyên tử – tạo nên một hệ thống, có kích cỡ rất nhỏ, có khả năng ngăn chặn các electron dựa trên spin của chúng trong khi vẫn có thể kiểm soát tốt hơn 10 lần so với các phương pháp khác.
Tiancheng Song, nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý của UW, đồng tác giả nghiên cứu, cho biết, nghiên cứu này cho thấy khả năng mở rộng lưu trữ thông tin dựa trên công nghệ từ tính đến giới hạn nguyên tử.
Trong một nghiên cứu liên quan mới được công bố trên tạp chí Nature Nanotechnology cho thấy, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra các phương thức kiểm soát điện từ tính của nam châm có kích cỡ nguyên tử này.
“Với sự tăng trưởng bùng nổ của thông tin, thách thức đặt ra là làm thế nào để tăng mật độ lưu trữ dữ liệu trong khi giảm năng lượng hoạt động”, Xiaodong Xu, giáo sư vật lý, khoa học và kỹ thuật vật liệu của UW, và cũng là nhà nghiên cứu tài năng tại Viên Năng lượng sạch của UW cho biết.
Bài báo mới đăng trên tạp chí Science cũng chú ý đến cách thức vật liệu này có chấp nhận bộ nhớ mới lợi dụng các spin điện tử trong mỗi tấm riêng lẻ. Các nhà nghiên cứu đã xem hai lớp CrI3 vào giữa các tấm graphen. Họ thấy rằng, tùy thuộc vào cách các spin được sắp xếp giữa mỗi tấm CrI3, các electron có thể hoặc lưu thông không bị cản trở giữa hai tấm graphene hoặc phần lớn bị chặn lại. Hai cấu hình khác nhau này có thể hoạt động như các bit – đơn vị cơ bản của thông tin theo hệ cơ số nhị phân 0 và 1 trong các máy tính ngày nay – để mã hóa thông tin.
“Các đơn vị chức năng của loại bộ nhớ này là các điểm nối đường hầm từ tính, (MTJ). Đây là các cổng từ tính có thể chặn hoặc cho phép xuyên qua dòng điện tùy thuộc vào cách thức các spin sắp hàng bên trong các điểm nối này”, Xinghan Cai, nhà nghiên cứu bậc sau tiến sĩ của UW về vật lý, tác giả nghiên cứu, cho biết.
Với bốn lớp CrI3, nhóm nghiên cứu đã khám phá ra tiềm năng lưu trữ thông tin “đa bit”. Đối với hai lớp CrI3, các spin giữa mỗi lớp được căn chỉnh theo cùng một hướng hoặc theo hướng đối nhau, dẫn đến có hai loại electron khác nhau lưu thông xuyên qua cổng từ. Nhưng với ba và bốn lớp CrI3, có nhiều kết hợp hơn cho các spin giữa mỗi lớp, dẫn đến đa loại, rất khác biệt mà ở đó các electron có thể lưu thông từ tấm graphene này sang tấm graphene khác.
Thay vì máy tính của bạn chỉ có hai lựa chọn để lưu trữ một phần dữ liệu, nó có thể lựa chọn A, B, C, thậm chí D và hơn thế nữa. “Vì vậy, không những các thiết bị lưu trữ sử dụng các mối nối CrI3 có hiệu quả hơn mà về cơ bản chúng sẽ lưu trữ được nhiều dữ liệu hơn”, Bevin Huang, nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý của UW, đồng tác giả, cho biết.
Loại vật liệu và phương pháp tiếp cận của các nhà nghiên cứu cho thấy sự cải tiến đáng kể hơn so với các kỹ thuật hiện có trong điều kiện vận hành tương tự sử dụng ôxit magiê, dày hơn, ít hiệu quả hơn trong việc ngăn chặn electron và không có tùy chọn để lưu trữ thông tin đa bit.
P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2018-05-atomically-thin-magnetic-device-memory.html,