Lưu trữ dữ liệu cấp độ nguyên tử: Cuộc cách mạng cực lớn trong ngành điện toán

Mặc dù công nghệ điện toán và bán dẫn đã tiến bộ rất nhiều, nhưng cho tới nay những bit nhớ nhỏ nhất cũng tốn đến hàng ngàn nguyên tử (để tạo thành một transistor). Mới đây một nhà nghiên cứu người Thụy Sỹ vừa công bố một kết quả nghiên cứu có thể thu nhỏ từng bit nhớ tới cấp từng nguyên tử.

0 và 1 là các bit nhớ cơ bản nhất của mọi thiết bị điện toán mà chúng ta đang dùng, từ máy tính cho tới smartphone, tablet... Ngày nay, phần lớn chúng được lưu trữ trên các ổ cứng từ (HDD) hoặc ổ thể rắn (Flash, SSD).

Nhưng để lưu trữ được một bit nhớ như thế, các công ty công nghệ vẫn phải cần tối thiểu vài ngàn nguyên tử vật chất. Vì thế, dung lượng bộ nhớ tối đa mà các thiết bị điện toán có thể đạt được vẫn luôn bị hạn chế.

Do vậy, nghiên cứu mới này có thể tạo ra cuộc cách mạng trong công nghệ điện toán, khi giúp thu nhỏ các bit nhớ tới hàng ngàn lần.

Trạng thái từ tính của một nguyên tử có thể dùng để chứa dữ liệu.

Nhà vật lý Fabian Natterer thuộc học viện École Polytechnique Fédérale de Lausanne (Thuỵ Sỹ), mô tả ý nghĩa nghiên cứu của mình trước Hiệp hội Vật lý Mỹ: "Nếu anh có thể làm các bit nhớ nhỏ hơn, anh có thể chứa được nhiều thông tin hơn".

Bằng cách đo cường đồ dòng điện, các nhà nghiên cứu có thể xác định trạng thái từ tính của nguyên tử holmium.

Cụ thể, Natterer và các đồng nghiệp đã tạo ra các bit nhớ siêu nhỏ dựa trên từ tính, bằng cách dùng các nguyên tử holmium (Ho) đặt lên bề mặt magnesium oxide (MgO). Trong đó, hướng từ trường của từng nguyên tử Ho sẽ đóng vai trò như các bit 0 và 1, tuỳ thuộc vào điểm cực bắc của nguyên tử quay lên hay quay xuống.

Nhưng làm sao để "đọc và thay đổi" giá trị các bit nhớ trên? Các nhà nghiên cứu cho biết họ dùng các kính hiển vi quét xuyên hầm (STM). Bằng cách đo cường độ dòng điện chạy qua mạng lưới Ho và MgO, vốn thay đổi tuỳ theo hướng từ tính của Ho, các nhà nghiên cứu có thể xác định được nguyên tử này đang "quay lên" hay "quay xuống". Từ đó họ có thể quy định ra trạng thái 0 hay 1 cho bit nhớ.

Và để đảm bảo cho giá trị điện thế trong nguyên tử Ho được ổn định sau quá trình "ghi/đọc" bằng STM, nhóm nghiên cứu bổ sung thêm các nguyên tử sắt (Fe) đứng bên cạnh các nguyên tử Ho để theo dõi ảnh hưởng từ tính của nguyên tử Ho lên các nguyên tử Fe này.

Các nguyên tử sắt được bổ sung để đọc chính xác giá trị các bit nhớ.

Nếu bản nghiên cứu này của Natterer và các đồng nghiệp có thể triển khai thành sản phẩm thương mại, nó sẽ tạo ra một cuộc cách mạng cực lớn trong ngành điện toán, khi có thể gia tăng mật độ các bit nhớ lên hàng ngàn lần.