Các thiết bị phụ thuộc vào bộ nhớ spin thường có hiệu quả năng lượng và vận hành trong thời gian dài mà không cần đến sự can thiệp của con người

Trong một nghiên cứu đột phá, các nhà khoa học đã sử dụng một kỹ thuật mới để xác nhận một hiện tượng vật lý chưa từng được phát hiện trước đây. Nó có thể hữu dụng trong việc cải thiện khả năng lưu trữ dữ liệu cho các thiết bị tính toán thế hệ mới.

Bộ nhớ điện tử học spin, giống như những thứ được sử dụng trong một số máy tính hiệu năng cao hoặc các vệ tinh, sử dụng các trạng thái từ được tạo ra bằng một mô men góc bên trong một electron để lưu trữ và đọc thông tin. Phụ thuộc vào chuyển động vật lý của nó, spin của một electron tạo ra một dòng điện từ. Được biết đến với tên gọi “hiệu ứng Hall spin”, nó ẩn chứa những ứng dụng quan trọng cho các loại vật liệu từ trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trải rộng từ các điện tử sử dụng mức năng lượng thấp đến cơ học lượng tử cơ bản.

Cho đến gần đây, các nhà khoa học đã tìm thấy các electron có khả năng tạo ra điện thông qua một dạng chuyển động thứ hai: mô men hóc quỹ đạo, tương tự như cách trái đất quay quanh mặt trời. Điều đó được gọi là “hiệu ứng Hall quỹ đạo”, Roland Kawakami, đồng tác giả của nghiên cứu mới và là giáo sư vật lý tại trường Đại học bang Ohio.

Các nhà lý thuyết đã dự đoán là bằng việc sử dụng các kim loại chuyển pha ánh sáng – các loại vật liệu có dòng điện Hall spin yếu – các dòng từ tạo ra bằng hiệu ứng Hall quỹ đạo có thể dễ dàng đặt vào dòng chảy dọc chúng. Cho đến bây giờ, việc dò một cách trực tiếp hiện tượng này là một thách thức, nhưng nghiên cứu của các nhà vật lý Ohio, do Igor Lyalin, một học viên cao học vật lý dẫn dắt, đã làm được. Họ xuất bản kết quả trên tạp chí Physical Review Letters, “ Magneto-Optical Detection of the Orbital Hall Effect in Chromium” 1, trong đó chứng tỏ một phương pháp để quan sát hiệu ứng.

Giáo sư Roland Kawakami

“Qua nhiều thập kỷ, có một dòng khám phá liên tục về vô số hiệu ứng Hall”, Kawakami nói. “Nhưng ý tưởng về các dòng quỹ đạo thực sự là một điều hoàn toàn mới. Nó khó bởi vì nó trộn nhiều dòng spin trong các dạng kim loại nặng và nó mà tách được chúng ra khỏi nhau”.

Nhóm nghiên cứu của Kawakami đã chứng minh được hiệu ứng Hall quỹ đạo bằng việc phản xạ ánh sáng phân cực, trong trường hợp này là một tia laser, vào vô số các màng mỏng của kim loại nhẹ chromium để chứng tỏ các nguyên tử của chúng có tiềm năng tích tụ mô men góc quỹ đạo. Sau gần một năm đo đạc những tín hiệu mờ nhạt, các nhà nghiên cứu mới có thể dò được một tín hiệu quang từ rõ ràng chứng tỏ là khi các electron tích tụ tại một điểm trên màng mỏng thì nó biểu hiện các đặc điểm hiệu ứng Hall quỹ đạo rất mạnh.

Việc dò thành công này có thể đem đến những hệ quả rất lớn cho những ứng dụng điện tử học spin trong tương lai, Kawakami nói.

“Khái niệm điện tử học spin đã có chừng hơn 25 năm hoặc hơn nữa. Nó rất phù hợp cho các ứng dụng nhớ nhưng giờ đây chúng ta đang cố mở rộng thêm các ứng dụng đó”, anh nói. “Hiện tại một trong những mục tiêu lớn nhất của lĩnh vực này là giảm thiểu mức năng lượng tiêu thụ bởi vì đó là nhân tố giới hạn nó nâng cao hiệu suất thực hiện của mình”.

Mức năng lượng tiêu thụ thấp hơn là điều cần thiết cho các vật liệu từ trong tương lai để có thể vận hành tốt với mức điện cung cấp nhỏ hơn, tốc độ cao hơn và độ tin cậy cao hơn cũng như giúp mở rộng vòng đời của công nghệ này. Việc sử dụng các dòng từ thay vì dòng spin có thể giúp tiết kiệm cả thời gian và tiền bạc trong dài hạn, Kawakami nói.

Lưu ý là nghiên cứu này mở ra một con đường nghiên cứu nhiều hơn về những hiện tượng vật lý lạ khởi sinh trong những kim loại khác, các nhà nghiên cứu cho biết họ muốn tiếp tục tìm hiểu sự kết nối phức tạp giữa các hiệu ứng Hall spine và hiệu ứng Hall quỹ đạo.