Nhật Bản vừa phát triển một loại vật liệu bộ nhớ từ thế hệ mới có thể ghi dữ liệu bằng ánh sáng thay cho dòng điện. Công nghệ này được kỳ vọng giúp tăng tốc độ ghi lên tối đa 1.000 lần, đồng thời giảm điện năng tiêu thụ so với bộ nhớ từ hiện nay.

Theo ITmedia Japan ngày 10/6, nhóm nghiên cứu gồm Viện Nghiên cứu và Phát triển Khoa học Công nghệ Lượng tử Nhật Bản (QST), Đại học tỉnh Hyogo và một trung tâm khoa học ánh sáng độ sáng cao cho biết đã lần đầu tiên phát triển được vật liệu mới cho phép thay đổi trạng thái ghi của bộ nhớ từ chỉ bằng xung laser. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Applied Physics Letters.

Khác với bộ nhớ bán dẫn thông thường lưu trữ dữ liệu dưới dạng điện tích, bộ nhớ từ lưu trữ thông tin dựa trên hướng spin của electron để biểu diễn 0 và 1. Hiện nay, việc đổi hướng spin trong bộ nhớ từ chủ yếu vẫn dựa vào dòng điện, dẫn tới phát nhiệt, tiêu tốn điện năng và hạn chế tốc độ ghi.

Để khắc phục điểm nghẽn này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một cấu trúc vật liệu mới cho phép đảo chiều spin chỉ bằng ánh sáng. Trọng tâm của nghiên cứu là hiện tượng “chuyển mạch quang” (optical switching), trong đó xung laser có thể làm đổi hướng spin của electron.

Trước đây, một số vật liệu ferrimagnetic đã cho thấy khả năng chuyển mạch quang, nhưng khó ứng dụng vào bộ nhớ do trạng thái spin kém rõ ràng, khiến việc phân biệt dữ liệu ghi không ổn định. Trong khi đó, hợp kim cobalt - sắt - boron (CoFeB) hiện được sử dụng rộng rãi trong bộ nhớ từ nhờ độ ổn định cao, song lại không có khả năng chuyển mạch quang.

Nhóm nghiên cứu vì vậy lựa chọn hướng kết hợp ưu điểm của cả hai loại vật liệu. Họ thiết kế một vật liệu ferrimagnetic nhân tạo với cấu trúc ba lớp, gồm hợp kim cobalt - sắt - boron, gadolinium và cobalt.

Sau đó, nhóm tiến hành phân tích cấu trúc ở cấp độ nguyên tử tại cơ sở nghiên cứu NanoTerasu ở Nhật Bản để xác định thành phần tối ưu. Kết quả cho thấy ngay cả CoFeB, vốn là vật liệu đang được dùng trong bộ nhớ từ hiện nay, cũng có thể xuất hiện hiện tượng đảo chiều spin lặp lại dưới tác động của laser. Nghiên cứu còn có sự tham gia của các nhà khoa học thuộc NTT và Đại học Khoa học Tokyo.

Theo nhóm nghiên cứu, ý nghĩa của kết quả này không chỉ nằm ở việc tạo ra một vật liệu mới. Việc đồng thời đạt được khả năng chuyển mạch quang và độ ổn định cao, vốn là đặc tính quan trọng của vật liệu bộ nhớ từ hiện nay, cho thấy tiềm năng ứng dụng vào các linh kiện bộ nhớ thực tế.

Một điểm then chốt khác là nhóm đã đảm bảo được tính tái lập của quá trình chuyển trạng thái, qua đó giúp phân biệt dữ liệu ghi một cách ổn định. Nếu chỉ có chuyển mạch quang nhưng trạng thái spin không được duy trì nhất quán, vật liệu sẽ khó được sử dụng cho bộ nhớ.

Nhóm nghiên cứu đánh giá công nghệ này có tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo và trung tâm dữ liệu. Khi nhu cầu tính toán AI ngày càng tăng, khối lượng xử lý dữ liệu tại các trung tâm dữ liệu cũng tăng mạnh, kéo theo áp lực lớn về điện năng. Trong bối cảnh đó, bộ nhớ tốc độ cao và tiêu thụ điện thấp có thể trở thành công nghệ then chốt.

Công nghệ mới cũng được kỳ vọng sẽ được ứng dụng trong các hệ thống xử lý thông tin thế hệ mới, nơi truyền thông quang được kết nối với mạch điện tử. Lợi thế của nó là có thể giúp giảm nút thắt giữa truyền dữ liệu bằng ánh sáng và xử lý tính toán dựa trên điện tử.

Giới công nghiệp đang chú ý tới khả năng công nghệ này không chỉ cải thiện hiệu năng bộ nhớ, mà còn có thể làm thay đổi cách thức lưu trữ thông tin. Tuy nhiên, để thương mại hóa, vẫn cần thêm các bước như tích hợp vào linh kiện bộ nhớ thực tế, kiểm chứng độ ổn định dài hạn và hoàn thiện quy trình sản xuất hàng loạt.

Nếu các nghiên cứu tiếp theo đạt kết quả tích cực, đây có thể trở thành bước ngoặt quan trọng, đưa công nghệ bộ nhớ từ chuyển từ cơ chế ghi bằng dòng điện sang ghi bằng ánh sáng.