Thành công mới về bộ nhớ kiểu đường đua

Cách đọc và ghi các bit thông tin trong một bộ nhớ đường đua. (Ảnh: Stuart Parkin)

Các nhà nghiên cứu IBM vừa tiến thêm một bước nữa hướng đến việc thương mại hóa “bộ nhớ đường đua” – một công nghệ nano mới sử dụng các dây nano từ tính là dụng cụ lưu trữ dữ liệu mật độ cao. Đường đua gồm các thành domain từ - ranh giới giữa các vùng từ hóa ngược nhau – đang di chuyển dọc theo một dây nano, sử dụng các xung điện phân cực spin nhỏ. Nó có thể dùng để chế tạo ra một kiểu bộ nhớ từ tính mới có khả năng lưu trữ dữ liệu gấp 100 lần các bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên (RAM) hiện nay.

Một ổ đĩa cứng máy tính thông thường sử dụng một động cơ để quay các đĩa thủy tinh trên đó các bit từ được lưu trữ trên một màng mỏng. Bộ nhớ đường đua thì khác hoàn toàn vì nó sử dụng các dòng điện để di chuyển các thành domain từ lên xuống dọc theo một dây nano mà không cần dịch chuyển bất kì nguyên tử nào hết. Các thành domain từ là những ranh giới hẹp giữa các vùng trong một chất liệu, trong đó các mômen từ hướng “lên” ở phía bên này thành và hướng “xuống” ở phía bên kia. Các thành có thể di chuyển bên trong một chất liệu bằng cách thiết đặt một từ trường ngoài hoặc bằng cách bơm vào một xung điện phân cực spin (một dòng electron phân cực spin mang xung lượng góc spin).

Trong một bộ nhớ đường đua, dữ liệu được lưu trữ dưới dạng một chuỗi domain từ - cách nhau bởi các thành domain – dọc theo một dây nano và từng bit được lưu trữ và hồi phục bằng cách di chuyển chuỗi dọc theo dây nano và đi ngang qua các dụng cụ đọc và ghi từ tính. Một con chip đường đua điển hình sẽ chứa các ma trận dây nano dài vài micron và rộng chừng 30 nm và có thể lưu trữ hàng trăm gigabyte dữ liệu.

Các thành có di chuyển tức thời không?

Đội của Stuart Parkin tại Trung tâm Nghiên cứu IBM Almaden ở San Jose, California, đã nghiên cứu kĩ thuật trên kể từ năm 2004 và đã phát triển một số nguyên mẫu đường đua cơ bản có thể đọc và ghi các bộ dữ liệu đơn giản. Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn không biết các thành domain từ di chuyển trong một dây nano như thế nào. Các thành đó có di chuyển tức thời khi dòng điện được đưa vào và dừng lại ngay khi dòng điện ngắt hay không, hay chúng có cần thời gian để đạt tới vận tốc cực đại và từ từ tiến tới điểm ngừng khi không còn dòng điện nữa không?

Parkin và các đồng sự cho biết kịch bản thứ hai ở trên là cái có khả năng xảy ra hơn. Các nhà nghiên cứu đã đi tới kết luận của họ bởi việc đo thời gian cần thiết cho một thành domain gia tốc đến vận tốc cực đại của nó và khoảng cách mà domain đó đi được khi nó bị kích thích bởi một xung điện. Họ làm như vậy bằng cách sử dụng một xung điện kích thích và một xung điện thứ hai dùng để khảo sát, đồng thời còn đo thời gian cần thiết cho thành domain giảm tốc từ vận tốc cực đại này xuống tới không khi dòng điện bị ngắt.

Thời gian và khoảng cách ‘xa bất ngờ’

“Chúng tôi nhận thấy thời gian cần thiết cho sự tăng tốc/giảm tốc là dài bất ngờ trong khoảng chừng 10 ns và khoảng cách đi được quá xa, cỡ chừng 1 µm," Parkin nói. “Tuy nhiên, khoảng cách trễ trong sự gia tốc bằng với khoảng cách di chuyển bởi domain dưới quán tính riêng (hay khối lượng) của nó khi dòng điện ngắt đi”. Kết quả vừa nói này rất quan trọng vì nó có nghĩa là, mặc dù thành domain đó có quán tính, nhưng nó vẫn di chuyển một khoảng cách tương ứng với chiều dài của xung điện đặt vào. Biết được điều này, các nhà nghiên cứu sẽ có thể điều khiển chính xác vị trí của thành domain trên đường đua bằng cách sử dụng các xung điện có điều khiển thận trọng hoặc các chuỗi xung và vì thế di chuyển và hồi phục dữ liệu chính xác bên trên nó.

“Đây rõ ràng là một đột phá quan trọng trong kiến thức của chúng ta về động lực học thành domain do dòng điện điều khiển thích hợp với việc chế tạo các bộ nhớ đường đua”, Parkin nói.

Đội IBM theo dõi chuyển động thành domain bằng cách đo điện trở của các đường đua chế tạo từ hợp kim pecmalci – một hợp kim mềm có từ tính chế tạo từ sắt và nickel. Sự có mặt của một thành domain làm giảm chút ít điện trở của dây nano.

‘Kĩ thuật khéo léo’

“Chúng tôi sử dụng điện trở của dây nano không chỉ để xác định xem thành domain có mặt hay không, mà còn xác định số lượng thành domain và cả cấu trúc từ tính nội tại chi tiết của thành domain đó”, Parkin giải thích. “Chúng tôi sử dụng một kĩ thuật hơi khéo léo, kết hợp hai xung điện – một xung kích thích thành domain, còn xung kia khảo sát chuyển động của thành domain – phần nào giống với các kĩ thuật bơm-khảo sát sử dụng các xung photon”.

Các nhà nghiên cứu hiện có kế hoạch chế tạo một nguyên mẫu tích hợp của một bộ nhớ đường đua với các bộ phận đọc, ghi và dịch chuyển đều nằm trong đường đua đó.

Công trình trên công bố trên tạp chí Science 330 1810.

Theo Belle Dumé – physicsworld.com