Công nghệ từ tính mới có thể mang đến cuộc cách mạng về RAM, SSD và HDD trong kỷ nguyên AI

Một nhóm nghiên cứu từ National Institute for Materials Science, University of Tokyo, Kyoto Institute of Technology và Tohoku University vừa công bố một phát hiện quan trọng liên quan đến vật liệu từ tính. Theo đó, các màng mỏng của Ruthenium dioxide có thể biểu hiện Altermagnetism — một dạng từ tính mới được xác định gần đây.

Khám phá này có thể mở ra hướng phát triển mới cho các thiết bị lưu trữ dữ liệu như RAM, SSD và HDD, đồng thời góp phần cải thiện hiệu suất của các hệ thống tính toán hiện đại.

Dạng từ tính mới giữa hai thế giới quen thuộc

Trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu, vật liệu từ tính đóng vai trò cốt lõi. Hai dạng phổ biến hiện nay là Ferromagnetism và Antiferromagnetism.

Ferromagnetism cho phép ghi dữ liệu dễ dàng nhưng lại dễ bị ảnh hưởng bởi từ trường bên ngoài, đặc biệt khi các linh kiện ngày càng nhỏ và đặt gần nhau hơn. Ngược lại, antiferromagnetism ổn định hơn trước nhiễu từ nhưng cấu trúc spin của nó triệt tiêu lẫn nhau, khiến việc đọc dữ liệu bằng tín hiệu điện trở nên khó khăn.

Altermagnetism được xem là giải pháp trung gian. Vật liệu dạng này không có từ hóa tổng thể, giống antiferromagnet, nhưng vẫn cho phép đọc các đặc tính liên quan đến spin bằng tín hiệu điện. Theo nhóm nghiên cứu, sự kết hợp độc đáo giữa phân tách spin mạnh và từ hóa bằng không có thể mang lại nhiều cơ hội cho các thiết bị spintronics.

Công nghệ spintronics và tương lai lưu trữ dữ liệu

Các thiết bị Spintronics khai thác không chỉ điện tích mà cả spin của electron để xử lý và lưu trữ thông tin. Nhờ tận dụng trạng thái spin, công nghệ này có thể mang lại tốc độ chuyển mạch nhanh hơn, tiêu thụ ít năng lượng hơn và khả năng lưu trữ không mất dữ liệu khi mất điện.

Một ví dụ nổi bật của hướng công nghệ này là Magnetic Random Access Memory, loại bộ nhớ có tiềm năng thay đổi cách thiết kế các hệ thống lưu trữ và tính toán trong tương lai.

Những tiến bộ trong vật liệu altermagnet có thể giúp các thiết bị spintronics trở nên hiệu quả hơn, từ đó cải thiện hiệu suất của bộ nhớ và ổ lưu trữ trong các hệ thống máy tính hiện đại, bao gồm cả các nền tảng phục vụ trí tuệ nhân tạo.

Bước đột phá trong chế tạo vật liệu

Một trong những thách thức lớn khi nghiên cứu altermagnet là tạo ra các mẫu vật liệu chất lượng cao. Trong nghiên cứu mới, nhóm khoa học đã thành công trong việc chế tạo màng mỏng RuO₂(101) với cấu trúc tinh thể định hướng đồng nhất.

Các màng mỏng này được phát triển trên nền Aluminium oxide, với sự sắp xếp nguyên tử được căn chỉnh theo một hướng duy nhất. Nhờ đó, cấu trúc tinh thể trở nên rõ ràng hơn thay vì phân bố ngẫu nhiên.

Để xác nhận cấu trúc này, các nhà khoa học sử dụng nhiều phương pháp phân tích tiên tiến như nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử truyền qua độ phân giải nguyên tử và phân tích từ tính bằng tia X.

Hiệu ứng từ tính được quan sát rõ ràng

Nhờ sự căn chỉnh tinh thể chính xác, nhóm nghiên cứu đã trực tiếp quan sát được hiện tượng các cực từ triệt tiêu lẫn nhau – đặc trưng của altermagnetism. Đồng thời, họ cũng đo được hiện tượng magnetoresistance phụ thuộc spin, trong đó điện trở thay đổi theo hướng spin của electron.

Các thử nghiệm với cấu trúc lớp kép RuO₂(101)/CoFeB cũng cho thấy việc kiểm soát định hướng tinh thể có ảnh hưởng mạnh đến khả năng truyền spin.

Nhóm nghiên cứu ví quá trình này giống như việc lát gạch trên sàn. Nếu các viên gạch đặt ngẫu nhiên, hoa văn sẽ khó nhận ra; nhưng khi tất cả được đặt cùng một hướng, cấu trúc tổng thể trở nên rõ ràng. Tương tự, việc căn chỉnh trục tinh thể đã giúp các nhà khoa học nhìn thấy rõ đặc tính từ tính của vật liệu.

Triển vọng cho bộ nhớ và điện tử thế hệ mới

Kết quả nghiên cứu cũng phù hợp với các mô phỏng lý thuyết dựa trên phương pháp density functional theory, giúp củng cố độ tin cậy của phát hiện này.

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu dự định phát triển các thiết bị bộ nhớ sử dụng màng mỏng RuO₂ nhằm tạo ra hệ thống xử lý thông tin nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Ngoài ra, các phương pháp phân tích từ tính bằng nguồn bức xạ synchrotron được sử dụng trong nghiên cứu cũng có thể áp dụng cho nhiều vật liệu altermagnet khác.

Nếu tiếp tục được phát triển, hướng nghiên cứu này có thể góp phần thúc đẩy tiến bộ trong lĩnh vực spintronics, từ đó tạo ra thế hệ thiết bị lưu trữ và xử lý dữ liệu mới cho ngành công nghệ.