Phát hiện 'vật liệu vàng' cho bộ nhớ siêu tốc và mật độ cao

Hình minh họa sơ đồ về hiện tượng từ tính biến đổi trong màng mỏng RuO₂ đơn hướng, được mô tả dựa trên hiện tượng lưỡng sắc tuyến tính từ tính tia X và hướng quay của spin

Một nhóm nghiên cứu liên ngành từ Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia Nhật Bản (NIMS), Đại học Tokyo, Viện Công nghệ Kyoto và Đại học Tohoku đã xác thực thành công một trạng thái từ tính mới mang tên Altermagnetism trên các màng mỏng rutheni đioxit (RuO2). Đây được coi là loại hình từ tính cơ bản thứ ba của vật liệu, bên cạnh sắt từ và phản sắt từ vốn đã quen thuộc.

Khám phá này không chỉ là một thành tựu vật lý lý thuyết mà còn mở ra con đường hiện thực hóa các thiết bị bộ nhớ có tốc độ truy xuất cực nhanh và mật độ lưu trữ siêu cao - những yếu tố sống còn cho các trung tâm dữ liệu AI và công nghệ tương lai. Bằng cách kết hợp các phép đo quang phổ tia X tiên tiến với mô hình tính toán lượng tử, đội ngũ nghiên cứu đã chứng minh rằng RuO2 sở hữu những đặc tính lý tưởng để khắc phục mọi nhược điểm của các loại bộ nhớ từ tính hiện nay, hứa hẹn một cuộc cách mạng trong lĩnh vực spintronics (điện tử học spin) và xử lý thông tin tiết kiệm năng lượng.

Giới hạn của bộ nhớ từ tính truyền thống và sự trỗi dậy của loại hình từ tính thứ ba

Để hiểu tại sao RuO2 lại gây phấn khích đến vậy, chúng ta cần nhìn lại kiến trúc của các loại bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính (MRAM) đang được sử dụng. Hiện nay, hầu hết các thiết bị này dựa trên vật liệu sắt từ (ferromagnets).

Các vật liệu này có các cực N-S rõ ràng, giúp việc ghi dữ liệu bằng từ trường bên ngoài trở nên dễ dàng. Tuy nhiên, chính các từ trường rò rỉ (stray fields) không mong muốn này lại là "gót chân Achilles" của chúng. Khi các hạt dữ liệu được đặt quá gần nhau, các từ trường này sẽ gây nhiễu lẫn nhau, dẫn đến sai sót dữ liệu và ngăn cản việc thu nhỏ kích thước bộ nhớ để đạt mật độ cao hơn.

Ngược lại, vật liệu phản sắt từ (antiferromagnets) lại cực kỳ ổn định trước các tác động từ trường bên ngoài vì các spin nguyên tử của chúng triệt tiêu lẫn nhau. Tuy nhiên, cũng chính vì sự triệt tiêu này mà việc "đọc" thông tin bằng dòng điện trở nên vô cùng khó khăn. Các nhà khoa học đã dành nhiều thập kỷ để tìm kiếm một loại vật liệu "lai" hoàn hảo: vừa có khả năng chống nhiễu như phản sắt từ, vừa dễ dàng đọc/ghi dữ liệu bằng điện năng như sắt từ.

Câu trả lời cuối cùng đã xuất hiện với Altermagnetism – trạng thái từ tính thứ ba. Vật liệu altermagnet đặc biệt ở chỗ tổng từ hóa của chúng bằng không (không có cực N-S rò rỉ), nhưng cấu trúc điện tử của chúng lại bị phân tách spin (spin-splitting). Đặc tính này cho phép chúng ta điều khiển và đọc trạng thái từ tính bằng dòng điện một cách hiệu quả mà không sợ nhiễu từ trường. Mặc dù RuO2 từ lâu đã được dự đoán là một ứng cử viên cho trạng thái này, nhưng các kết quả thực nghiệm trên thế giới trước đây thường không đồng nhất do thiếu các mẫu màng mỏng chất lượng cao với định hướng tinh thể đồng đều.

Bước đột phá thực nghiệm: Hiện thực hóa bộ nhớ siêu tốc cho kỷ nguyên AI

Nhóm nghiên cứu chung đã đạt được bước tiến quan trọng khi chế tạo thành công các màng mỏng RuO2 đơn hướng (single-variant) trên chất nền sapphire. Bằng cách tinh chỉnh các điều kiện tăng trưởng và lựa chọn chất nền tối ưu, họ đã căn chỉnh được các trục tinh thể của vật liệu một cách hoàn hảo, tạo tiền đề cho việc xác thực các đặc tính từ tính ở quy mô phân tử.

Để khẳng định tính chất altermagnetism, nhóm nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật lưỡng sắc tuyến tính từ tính tia X (X-ray magnetic linear dichroism). Kết quả thực nghiệm cho thấy sự sắp xếp spin và trật tự từ tính trong màng mỏng RuO2 khiến từ hóa ròng bị triệt tiêu hoàn toàn. Quan trọng hơn, họ đã quan sát được hiện tượng điện trở từ phân tách spin (spin-split magnetoresistance) – một hiện tượng mà điện trở thay đổi tùy thuộc vào hướng spin. Điều này trực tiếp xác thực cấu trúc điện tử phân tách spin của vật liệu bằng phương pháp điện học, một minh chứng không thể chối cãi cho trạng thái altermagnetism.

Các kết quả thực nghiệm này hoàn toàn nhất quán với các tính toán nguyên lý ban đầu (first-principles calculations) về tính dị hướng từ tinh thể. Điều này có nghĩa là chúng ta hiện đã có một bản thiết kế chính xác để kiểm soát và tối ưu hóa hiệu suất của RuO2. Việc xác thực thành công này chứng minh rằng màng mỏng RuO2 là vật liệu đầy hứa hẹn cho các thiết bị bộ nhớ mật độ cao, tốc độ cao thế hệ mới.

Tầm ảnh hưởng của nghiên cứu này vượt xa phạm vi phòng thí nghiệm. Trong tương lai gần, các thiết bị bộ nhớ dựa trên RuO2 có thể giúp các trung tâm dữ liệu AI vận hành hiệu quả hơn đáng kể về mặt năng lượng. Khả năng truy xuất dữ liệu ở tốc độ cực cao của altermagnetism sẽ loại bỏ các nút thắt cổ chai về hiệu suất trong việc huấn luyện các mô hình ngôn ngữ lớn.

Hơn nữa, kỹ thuật phân tích từ tính dựa trên bức xạ synchrotron được thiết lập trong nghiên cứu này có thể được áp dụng để khám phá thêm nhiều vật liệu altermagnet khác, đẩy nhanh tiến trình phát triển của ngành spintronics toàn cầu.

Bùi Tú