Hiệu ứng từ điện trở mới có thế tạo ra các thiết bị bộ nhớ 4 trạng thái

Trong một bài báo mới được công bố cho thấy, các nhà nghiên cứu tại MIT và ETH Zürich đã xác định được hiệu ứng mới này ứng dụng thiết kế các bộ nhớ có 4 trạng thái từ ổn định riêng biệt, có thể cho phép các bộ nhớ lưu trữ các bit thông tin trong một cấu trúc từ đơn.

Can Onur Avci và các đồng nghiệp tại MIT và ETH Zürich đã công bố “khái niệm bộ nhớ mới này” trong bài báo đăng tải trên tạp chí Applied Physics Letters gần đây.

Trên Phys.org, Avci cho biết: “Cùng với việc tối ưu hóa một số thiết bị và cấu trúc, mật độ bit của các thiết bị bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên hiện có có thể tăng lên theo một số yếu tố, với khả năng vận hành tối ưu”.

Hiệu ứng từ điện trở đã được cho là tồn tại, vào khoảng năm 1850, khi Lord Kelvin chứng minh được rằng khi đưa một từ trường nào đó vào một vật kim loại đã làm tăng điện trở của vật thể đó theo một chiều và làm giảm điện trở hướng vuông góc. Kể từ đó, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một số dạng từ điện trở khác. Đáng chú ý nhất đó là khám phá về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ của nhà khoa học Albert Fert và Peter Grünberg đã giành giải Nobel Vật lý năm 2007. Khám phá này đã được dùng để tạo ra các bộ cảm biến từ trường gắn vào các ổ cứng của các thiết bị máy tính ngày này.

Năm 2015, các nhà khoa học đã khám phá ra hiệu ứng từ điện trở mới nhất có tên là từ điện trở Hall spin đơn hướng (unidirectional spin Hall magnetoresistance). Hiệu ứng này không giống như các dạng từ điện trở khác mà trong đó sự biến đổi điện trở phụ thuộc vào phương hướng của từ tính hoặc dòng điện nào đó. Như giải thích của các nhà khoa học, sự xuất hiện hiệu ứng phụ thuộc vào hướng này là vì các electron phân cực spin được tạo ra bởi hiệu ứng Hall trong lớp không có từ tính bị chệch hướng theo chiều ngược lại do từ tính của các lớp từ tính ngay sát cạnh nó. 

Trước đây, hiệu ứng mới này đã được chứng minh trong các cấu trúc hai lớp chứa một lớp từ tính và một lớp không từ tính. Tuy nhiên, bằng việc bổ sung thêm vào đó một lớp từ tính khác, các nhà nghiên cứu đã tạo ra được một bất ngờ đầy tiềm năng lớn cho các bộ nhớ: không phải là phân biệt giữa 2 trạng thái mà là 4 trạng thái từ tính. Dạng hiệu ứng từ điện trở khác chỉ có thể cảm biến với định hướng cân xứng của các từ hóa (song song hoặc không song song), mặc dù nó có thể có 4 trạng thái từ tính riêng biệt. Bởi vì hiệu ứng mới này nhạy cảm với phương hướng từ tính của từng lớp đơn lẻ nên nó có thể nhận diện ra toàn bộ 4 trạng thái từ tính.

Các nhà khoa học sau đó đã chứng minh được 4 cấp độ trở kháng riêng biệt này tương ứng với 4 trạng thái từ tính khác nhau trong các thiết bị tam lớp. Họ cũng đã cho thấy rằng 4 cấp độ trở kháng này có thể đọc được chỉ bằng thiết bị máy đo điện đơn giản. Điều này mở đường cho việc phát triển các thiết bị bộ nhớ all-electrical multi-bit-per-cell. 

Các nhà nghiên cứu hy vọng có thể tăng dung lượng bộ nhớ này lên với mật độ bit cao hơn bằng cách bổ sung thêm nhiều lớp, có thể cho phép 8 trạng thái từ tính khác nhau (theo thuyết thực tế), với mỗi cấp độ trở kháng độc nhất. Trong tương lai, các nhà nghiên cứu cũng lên kế hoạch tìm kiếm những vật liệu có hiệu ứng từ điện trở spin Hall đơn hướng lớn hơn, điều này sẽ nâng cao hiệu suất của các thiết bị bộ nhớ này.