Các bạn thân mến, hãy tưởng tượng bạn chạm vào một chiếc điện thoại thông minh mà không bao giờ bị quá nóng hoặc nhìn các dàn máy chủ trong trung tâm dữ liệu hoạt động êm ái với lượng điện năng tiêu thụ chỉ bằng một phần nhỏ so với hiện nay.

Một nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Minnesota đã tiết lộ Ni₄W, một hợp kim niken-vonfram có tiềm năng thay đổi cách các thiết bị lưu trữ và xử lý dữ liệu. Bằng cách khai thác mô-men xoắn spin-quỹ đạo mạnh mẽ trong một hỗn hợp kim loại đơn giản, bước đột phá này hứa hẹn tạo ra các thiết bị điện tử nhanh hơn, thân thiện với môi trường hơn, được xây dựng trên các nguồn vật liệu dồi dào.

Bối cảnh công nghệ

Các chip nhớ hiện đại dựa vào dòng điện để đảo chiều các miền từ tính nhỏ, nhưng nhu cầu năng lượng tăng vọt khi hiệu năng tăng lên. Công nghệ spintronics—sử dụng spin của electron thay vì điện tích—mở ra con đường dẫn đến bộ nhớ không biến đổi, giữ lại dữ liệu mà không cần nguồn điện. Tuy nhiên, các vật liệu spintronics hiện có yêu cầu nam châm ngoài lớn hoặc các nguyên tố đặc biệt, cản trở việc ứng dụng thực tế. Một hợp kim bền vững, có khả năng mở rộng quy mô vẫn còn là điều khó tìm—cho đến nay.

Đột phá về hợp kim

Trong bài báo "Vật liệu tiên tiến", các nhà nghiên cứu đã mô tả cấu trúc tinh thể đối xứng thấp độc đáo của Ni₄W, tạo ra dòng spin cực mạnh. Bằng cách hợp kim niken với vonfram theo tỷ lệ nguyên tử 4:1, họ đã tạo ra một lớp màng dẫn động lượng góc bên trong để chuyển mạch các bit từ tính. Việc chuyển mạch không cần từ trường này loại bỏ nhu cầu sử dụng nam châm ngoài cồng kềnh, giảm độ phức tạp của thiết bị và mức tiêu thụ điện năng.

Cơ chế SOT

Mômen xoắn spin-quỹ đạo (SOT) phát sinh khi dòng điện tích chạy qua lớp kim loại nặng truyền mômen động lượng spin đến một chất sắt từ liền kề. Tính bất đối xứng của Ni₄W tăng cường sự truyền này, tạo ra mômen xoắn đa hướng. Khi các xung dòng điện đi qua Ni₄W, các mômen từ liền kề sẽ nhanh chóng sắp xếp lại, cho phép ghi bit với mật độ dòng điện thấp hơn đáng kể so với các vật liệu tiêu chuẩn.

Không cần từ trường

Các phần tử spintronic thông thường dựa vào từ trường bên ngoài hoặc các lớp bổ sung để đảm bảo chuyển mạch xác định. Mômen xoắn nội tại của Ni₄W loại bỏ những hỗ trợ đó. Trong các thiết bị Hall-bar nguyên mẫu, chỉ cần các xung dòng điện ở thang nano giây đã đảo chiều từ tính một cách đáng tin cậy. Hoạt động “không cần từ trường” này làm giảm đáng kể kích thước của các ô nhớ spintronic, giúp chúng tương thích với các dây chuyền sản xuất chip hiện có.

Chế tạo

Nhóm nghiên cứu đã lắng đọng màng Ni₄W bằng phương pháp phún xạ magnetron, một quy trình bán dẫn tiêu chuẩn. Các lớp mỏng niken và vonfram được phún xạ đồng thời trong môi trường chân không cao, tạo thành các màng đồng nhất dày 5–10nm. Quá trình tạo hình sử dụng quang khắc chùm tia điện tử và kỹ thuật nâng màng, tạo ra các dây nano và cảm biến Hall để đo SOT chính xác. Khả năng tương thích với các công cụ công nghiệp này giúp đẩy nhanh quá trình từ các mẫu thí nghiệm đến sản xuất hàng loạt.

Các bước

Hãy làm theo các bước sau để tích hợp Ni₄W vào thiết bị thử nghiệm spintronic:

1. Lắng đọng vật liệu: Sử dụng phương pháp phún xạ đồng thời các mục tiêu Ni và W để đạt được tỷ lệ 4:1 ở 300°C.

2. Định hình mẫu: Sử dụng phương pháp khắc quang điện tử để phác thảo hình dạng dây nano hoặc thanh Hall.

3. Xếp lớp: Lắng đọng lớp phủ vonfram bảo vệ (2nm) để tăng cường truyền dẫn spin.

4. Kết nối: Nối dây các điện cực vàng vào các điểm tiếp xúc của thiết bị để dẫn dòng điện.

5. Đặc trưng hóa: Áp dụng các xung dòng điện và ghi lại sự thay đổi điện áp Hall để trích xuất hiệu suất SOT.

Hiệu năng

Các phép đo cho thấy hiệu suất SOT lên đến 60%—gấp đôi so với nhiều vật liệu chuẩn. Mật độ dòng điện chuyển mạch tới hạn giảm xuống dưới 5×10⁶A/cm², so với 10⁷–10⁸A/cm² trong các hợp kim truyền thống. Các thử nghiệm độ bền cho thấy quá trình chuyển mạch ổn định trong hơn 10¹² chu kỳ mà không bị suy giảm. Độ ổn định nhiệt vẫn mạnh mẽ lên đến 200°C, đảm bảo độ tin cậy trong điều kiện hoạt động thực tế.

Ứng dụng

Công nghệ chuyển mạch công suất thấp của Ni₄W mở đường cho MRAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính) ghi dữ liệu trong picogiây với công suất chờ gần bằng không. Bộ nhớ đệm trong điện thoại thông minh có thể khởi động tức thì, giúp kéo dài tuổi thọ pin. Trung tâm dữ liệu có thể thay thế các ngân hàng DRAM bằng các mô-đun spintronic, giảm mức tiêu thụ năng lượng lên đến 30%. Các thiết bị đeo được và cảm biến IoT có thể hoạt động nhiều năm chỉ với một lần sạc.

Ngành công nghiệp

Vì niken và vonfram là những nguyên tố dồi dào trong tự nhiên, Ni₄W tránh được sự biến động về nguồn cung của các khoáng chất quý hiếm. Quá trình chế tạo của nó phù hợp với dây chuyền CMOS, giảm thiểu chi phí tái trang bị. Bằng sáng chế của nhóm (đang chờ cấp, U.S.10,2xx) thu hút các nhà máy sản xuất chất bán dẫn đang mong muốn tích hợp các lớp spintronic lên các tấm wafer hiện có. Các cuộc đàm phán đang được tiến hành với các nhà sản xuất bộ nhớ hàng đầu để thử nghiệm Ni₄W trong các chip thử nghiệm MRAM thế hệ tiếp theo.

Hỗ trợ

Nghiên cứu này được khởi xướng bởi SMART (Vật liệu Spintronic cho Công nghệ Tái tạo Thông tin Nâng cao), một phần của chương trình nCORE của SRC do NIST tài trợ. Sự hợp tác với Trung tâm Nano Minnesota và Cơ sở Đặc trưng của Đại học đã cung cấp hình ảnh TEM tiên tiến, nhiễu xạ tia X và các đầu dò điện siêu nhanh. Sự hỗ trợ liên tổ chức như vậy đảm bảo quá trình xác thực nghiêm ngặt và đẩy nhanh việc chuyển giao sang các sản phẩm thực tế.

Tương lai

Các cột mốc tiếp theo bao gồm thu nhỏ thiết bị xuống dưới 50nm, tích hợp với logic silicon và chế tạo mảng bộ nhớ xếp chồng 3D. Các nhà nghiên cứu dự định khám phá hành vi của Ni₄W trong môi trường khắc nghiệt—nhiệt độ thấp cho điện toán lượng tử và bức xạ cao cho điện tử vũ trụ. Thành công có thể mang lại các mô-đun spintronic thương mại trong vòng năm năm, đánh dấu một sự thay đổi mô hình trong thiết kế bộ nhớ và logic.

Kết luận

Các bạn thân mến, sự xuất hiện của Ni₄W báo hiệu một kỷ nguyên mới, nơi các thiết bị điện tử hàng ngày tận dụng vật lý spin để hoạt động nhanh hơn và mát hơn. Bằng cách làm chủ mômen xoắn spin-quỹ đạo trong hỗn hợp niken-vonfram đơn giản, nhóm nghiên cứu của Đại học Minnesota đã vạch ra lộ trình hướng tới bộ nhớ hiệu năng cao và bền vững. Liệu Ni₄W có thể cung cấp năng lượng cho thiết bị tiếp theo của bạn? Hãy chia sẻ khám phá này và khơi dậy cuộc thảo luận về tương lai của điện toán.