Vật liệu 2D có thể thay đổi công nghệ lưu trữ dữ liệu

Nam châm mô hình Ising

Trong thời gian dài, nhiều chuyên gia cho rằng, từ tính 2D chỉ tồn tại trên lý thuyết, nhưng năm 2017, một phát hiện đột phá đã xảy ra với những phép đo đầu tiên về từ tính được thực hiện trong crom triiodide (CrI3) và Cr2Ge2Te6.

TS Elton Santos, Đại học Edinburgh cho biết, kết quả nghiên cứu phát hiện được trong 2D CrI3, có các đặc tính hơn hẳn những tính chất vốn có trong nam châm thông thường, trong đó những hiệu ứng lượng tử đóng vai trò quan trọng. 

Sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các tương tác khác nhau thường sắp xếp các spin của nguyên tử trong những vùng không gian nhỏ trên vật liệu, có các hướng khác nhau hình thành miền từ tính.

Tuy nhiên, trong trường hợp CrI3 đơn lớp, các miền tự tụ lại thành những mảng đủ lớn bao phủ toàn bộ bề mặt của vật liệu, giống như trong một hạt đơn miền nhưng không có từ trường.

Các vật liệu sở hữu vùng từ tính lớn như vậy có thể được sử dụng trong những quy trình ứng dụng khác nhau, như lưu trữ thông tin, nhưng hiệu quả hơn nhiều trong một khu vực mỏng hơn tóc người khoảng 10.000 lần.

Khi được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2017, các vật liệu 2D như CrI3 ban đầu được phân loại là nam châm mô hình Ising, mô hình toán học đơn giản nhất mô tả nam châm như một mạng tổ ong của các spin, có thể tồn tại một trong hai trạng thái: Spin quay lên hoặc spin quay xuống. Mỗi spin hoạt động giống như một nam châm mini với momen từ trường riêng; nếu tất cả các spin đều thẳng hàng và cùng chiều, toàn bộ mạng sẽ hoạt động giống như một nam châm lớn có momen từ trường.

Tuy CrI3 được coi là nam châm Ising, nhưng đồng thời cũng cho thấy những đặc tính không tương thích với tính chất này, đó là sóng spin – những biến động liên tục có định hướng của các spin trong dạng sóng.

Sóng spin được đo bằng những kỹ thuật khác nhau, bao gồm tán xạ neutron và quang phổ Raman. Tuy nam châm Ising không thể giữ được sóng spin do những hạn chế về hướng của spin. Nhưng một mô hình cơ học lượng tử, nơi các spin có thể giả định các hướng khác nhau có thể được sử dụng để mô tả chính xác nó.

Các hướng khác nhau của spin trong vật liệu 2D tạo ra sóng spin.

Bộ nhớ racetrack

Các nhà khoa học đã xác định được các hiệu ứng lượng tử thực sự làm ổn định những tính chất từ tính của CrI3, cho phép các vách miền, ranh giới giữa các miền từ tính có tính không đối xứng - một tính chất của sự bất đối xứng.

Trong các nam châm thông thường như sắt, vách miền ngăn cách các miền từ tính, nhưng không thay đổi và tĩnh theo thời gian. Do bản chất 2D của lớp CrI3, các miền từ tính trong 2D CrI3 không hoàn toàn ổn định - nghĩa là tiếp tục phát triển theo thời gian, gây ra sự thay đổi theo hướng của các spin dọc theo các vách miền từ tính.

Miền từ tính và vách miền từ tính trong vật liệu 2D.

Các nhà khoa học phát hiện được, mặc dù CrI3 chỉ có độ dày vài nguyên tử, nhưng chiều rộng của vách miền có tính đặc trưng của nam châm vĩnh cửu, như các hạt nano sắt có độ dày nanomet. Nhóm khoa học đang nghiên cứu đưa các nam châm mỏng này vào cấu trúc căn bản của những thiết bị khác nhau, có sự kiểm soát các vách miền từ tính được điều khiển bởi các dòng điện.

Được thiết kế ban đầu bởi nhóm Stuart Parkin tại Trung tâm Nghiên cứu IBM Almaden vào năm 2008, hiện tượng này được sử dụng để xây dựng cái được gọi là Bộ nhớ racetrack, một thế hệ linh kiện bộ nhớ không tự xóa phát triển dựa trên nền tảng công nghệ spintronics, tổ chức dữ liệu trong một vi mạch 3D với hy vọng trong tương lai có thể thay thế lưu trữ dữ liệu thông thường.

Theo TS Santos, hiện thực hóa những phát hiện mới trong cấu trúc Bộ nhớ racetrack chỉ là vấn đề thời gian. Vì vách miền rất hẹp trong các nam châm 2D, đây là tính chất lý tưởng cho những quy trình lưu trữ dữ liệu và vách miền cũng có thể được di chuyển trên các bề mặt khác nhau, tạo điều kiện tích hợp với các những bộ phận bán dẫn hiện có.

Ưu thế đặc biệt này dẫn đến việc chế tạo các thiết bị thực tế không thể bị phá vỡ vì vật liệu 2D rất linh hoạt, đủ nhẹ và mỏng để mang theo trên người nhưng có khả năng lưu trữ hàng nghìn tệp lớn.