Sự bùng nổ dữ liệu số trên toàn thế giới đang thúc đẩy nhu cầu sử dụng năng lượng gia tăng nhanh chóng. Chỉ trong vài thập kỷ, lượng điện năng cần thiết để lưu trữ và xử lý thông tin được dự đoán ​​sẽ chiếm gần một phần ba mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers, Thụy Điển vừa có một khám phá, có thể giúp giảm đáng kể áp lực này: vật liệu mỏng như nguyên tử, cho phép hai lực từ đối nghịch tồn tại hài hòa, giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng trong thiết bị bộ nhớ xuống gấp 10 lần.

Vật liệu mới của họ có thể mở đường cho các đơn vị bộ nhớ cực kỳ hiệu quả và đáng tin cậy, thiết yếu cho trí tuệ nhân tạo (AI), điện thoại thông minh, máy tính tiên tiến và các công nghệ dữ liệu trong tương lai.

Từ tính đóng vai trò quan trọng trong bộ nhớ lưu trữ. Trong thiết bị điện tử, trạng thái từ tính quyết định cách thông tin được lưu trữ và truy xuất. Việc định hướng di chuyển của electron bằng dòng điện và từ trường, các kỹ sư có thể tạo ra chip nhớ nhỏ hơn, nhanh hơn, hiệu quả hơn.

Nhưng quy mô xử lý dữ liệu vô cùng lớn ngày nay đã đặt ra nhu cầu cấp thiết về các vật liệu mới, cần phải đáp ứng yêu cầu xử lý dữ liệu mà không tiêu tốn quá nhiều năng lượng.

Theo truyền thống, các nhà khoa học dựa vào hai loại từ tính khác nhau. Sắt từ, loại từ tính khiến nam châm sắt dính vào tủ lạnh, xảy ra khi các electron xếp hàng theo cùng một hướng, tạo ra một từ trường mạnh.

Ngược lại, phi sắt từ xảy ra khi các electron xếp hàng theo các hướng ngược nhau, triệt tiêu lẫn nhau. Mỗi trạng thái từ tính đều có những ưu điểm riêng, và việc kết hợp chúng có thể tạo ra những công nghệ mới mạnh mẽ.

Tuy nhiên, cho đến nay, sự kết hợp như vậy chỉ có thể thực hiện bằng cách xếp chồng các vật liệu khác nhau lại với nhau trong cấu trúc nhiều lớp phức tạp. Nhóm Chalmers đạt được điều chưa từng thấy trước đây: cả sắt từ và phi sắt từ đều tồn tại trong một tinh thể hai chiều duy nhất.

Bí mật nằm ở cách vật liệu mới này xử lý định hướng electron. Trong các hệ thống thông thường, các thiết bị nhớ cần một từ trường bên ngoài để đảo ngược hướng của electron, một quá trình tiêu tốn khá nhiều năng lượng.

Vật liệu do nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Chalmers phát triển, tạo ra lực riêng bên trong nó nhờ sự cùng tồn tại của hai trạng thái từ tính, tạo ra “độ nghiêng” nhẹ trong sự liên kết từ tính tổng thể của nó.

Độ nghiêng này cho phép các electron chuyển hướng nhanh chóng, dễ dàng mà không cần sự hỗ trợ từ bên ngoài. Trên thực tế, nó loại bỏ nhu cầu sử dụng từ trường tốn nhiều năng lượng và giảm mức sử dụng điện năng xuống 10 lần.

Bản thân vật liệu này là hợp kim tạo thành từ coban, sắt, germanium và tellurium. Khi tạo thành các lớp siêu mỏng, nó kết hợp các nguyên tố từ tính và phi từ tính theo cách tự nhiên, tạo ra cả hai trạng thái từ tính cùng một lúc.

Các lớp hai chiều này xếp chồng lên nhau bằng lực van der Waals - lực hút yếu giữa các nguyên tử - thay vì liên kết hóa học. Điều này giúp hệ thống dễ chế tạo và đáng tin cậy hơn, tránh được các khuyết tật và đường nối thường phát sinh trong các lớp từ tính nhiều lớp.

Các đặc tính của vật liệu mới này khiến nó rất phù hợp để phát triển chip nhớ siêu hiệu quả cho AI, điện thoại thông minh, máy tính và các công nghệ dữ liệu trong tương lai. Điều quan trọng là chúng mang lại hiệu suất tương tự nhưng chỉ tốn một phần nhỏ chi phí năng lượng.

Khi nhu cầu sử dụng dữ liệu số không có dấu hiệu chậm lại, những đột phá như thế này có thể đóng vai trò quan trọng trong việc cắt giảm sử dụng năng lượng, đồng thời cho phép phát triển thế hệ máy tính tiếp theo. Nghiên cứu của họ được đăng trên tạp chí Advanced Materials.