Nhóm các nhà khoa học từ Pháp, Đức và Hoa Kỳ vừa công bố công trình nghiên cứu mới mà ở đó thế hệ bộ nhớ không tự xóa với tốc độ truy xuất cũng như mật độ cao có thể được xây dựng từ một loại cấu trúc từ gọi là các “xoáy từ” (magnetic vortex). Đây là một loại linh kiện thuộc công nghệ spintronics, có thể sử dụng cho thế hệ bộ nhớ tiếp theo thay cho các bộ nhớ bán dẫn đương thời đang bộc lộ nhiều điểm yếu. Nguyên lý điều khiển thông tin của bộ nhớ rất đơn giản, chỉ là điều khiển sự định hướng theo hai chiều của xoáy từ.

Xoáy từ (magnetic vortex) là một dạng cấu trúc từ khá phổ biến thường xuất hiện trong các vật từ dạng màng mỏng có hình dạng đối xứng hình học cao (ví dụ như các đĩa hình tròn, đĩa hình vuông, hình ellipse…) ở điều kiện tương quan đường kính và chiều dày thích hợp. Trong cấu trúc này, các mômen từ sẽ định hướng xoay tròn quanh một nhân trong mặt phẳng của vật, còn ở nhân của xoáy từ là thành phần hướng vuông góc với mặt phẳng xoáy từ (gọi là polarity – xem hình 1). Nhân của xoáy từ này được dùng để lưu trữ thông tin với mỗi bit thông tin được định nghĩa theo chiều định hướng của nó.

Hình 1. Phân bố mômen từ trong các vortex với hai trạng thái của polarity (Theo http://iramis.cea.fr/spec/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=1567).

Kỹ thuật mới có tên gọi là bộ nhớ xoáy từ điều khiển tần số (frequency-controlled magnetic vortex memory) được phát triển bởi nhóm lãnh đạo Benjamin Pigeau (Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Saclay, Pháp), cộng tác với các nhà khoa học khác đến từ Pháp, Đức và Hoa Kỳ dựa trên việc điều khiển các xoáy từ trong các đĩa tròn làm bằng hợp kim NiMnSb (một loại hợp kim Heusler) với đường kính thử nghiệm ban đầu là 1 micromet.

Hình 2. Cơ cấu nghiên cứu phần tử lưu trữ thông qua điều khiển nhân của vortex và kết quả khả năng đảo từ phụ thuộc vào từ trường: (a-b) (Theo APL 96, 132506 (2010)).

Theo lý giải của các nhà nghiên cứu, cơ chế về đảo từ trong các phần tử này thực chất được nghiên cứu rộng rãi trước đó trong các pattern kim loại như NiFe, Co…, nhưng các nghiên cứu trước chưa tìm ra được một cách tối ưu để điều khiển mômen từ bên trong từng vật thể (tức là chưa thể điều khiển các bit thông tin cho từng phần tử nhớ). Ở đây, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách tối ưu để điều khiển sự định hướng này bằng cách sử dụng sóng viba dạng xung kết hợp với từ trường tĩnh. Trong cơ cấu này, tần số quay lớn và nhỏ của nhân vortex liên hệ với sự định hướng lên (dương) hay xuống (âm) của nhân vortex. Khi ở trạng thái hướng lên trên (bit 1), nhân song song với từ trường đặt vào. Thiết bị siêu nhạy kính hiển vi lực từ cộng hưởng (magnetic resonance force microscope – MRFM) cho phép ghi lại quá trình đảo này dưới sự thay đổi của tần số sóng vi ba (hình 2).

Hình 3. Đề xuất thiết kế cho bộ nhớ (Theo APL 96, 132506 (2010)).

Từ kết quả này, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một thiết kế bộ nhớ gồm một ma trận các chấm nano từ NiMnSb chứa các vortex cùng với một nam châm điện nhỏ đặt bên dưới nhằm tạo ra một từ trường vuông góc với ma trận này và giúp cho việc điều khiển thông tin trong các nanodot này (đường kính khoảng 800 nm) – xem hình 3. Để đọc thông tin từ các chấm này, một từ trường rất nhỏ (chỉ khoảng 65 mT) được dùng để đọc trạng thái định hướng của nhân vortex. Việc ghi thông tin được thực hiện bằng cách tăng độ lớn của từ trường xung viba nhằm định hướng các nhân vortex theo chiều mong muốn, và thông tin này được lưu lại do sự lưu chiều của mômen từ. Thông tin chỉ bị xóa mất (đảo chiều mômen từ trong nhân vortex) khi tần số thay đổi mạnh. Các nhà nghiên cứu cũng chứng tỏ bằng thực nghiệm xác xuất đảo chính xác cực cao mà không hề có sai hỏng, đồng thời không hề ảnh hưởng gì đến thông tin từ các bit bên cạnh.

“Cơ chế đảo động học này thực ra là rất cơ bản nhưng lại cực kỳ hữu dụng cho ứng dụng trong công nghệ thông tin với việc sử dụng các nhân vortex để mã hóa các thông tin nhị phân” - Grégoire de Loubens, đồng tác giả của công trình phát biểu trên PhysOrg.com. Các nhà nghiên cứu đang tiếp tục cải tiến bộ nhớ này theo ví dụ như sử dụng các hình dạng khác nhau của nanodots, thay đổi hệ số kích thước đồng thời thiết kế detector đọc thông tin thay cho MRFM trong thí nghiệm phân tích. Đồng thời, họ hi vọng có thể tạo ra bộ nhớ đa thanh ghi. Có thể xem chi tiết các kết quả này trên bài báo mới được xuất bản trên Applied Physics Letters (2010) hoặc thông tin nghiên cứu trên trang chủ của nhóm.

Vạn lý Độc hành (Tổng hợp từ PhysOrg.com và Applied Physics Letters).