Các ổ cứng hiện tại đều sử dụng các nam châm được làm từ một triệu nguyên tử để lưu trữ một bit dữ liệu.

Nếu bẻ đôi một nam châm, nó sẽ trở thành hai miếng nam châm nhỏ hơn. Tiếp tục chia đôi sẽ tạo thành bốn miếng nam châm. Nhưng càng có nhiều miếng nam châm nhỏ hơn thì chúng lại càng dễ trở nên thiếu ổn định hơn; các từ trường của chúng có xu hướng lật cực của chúng liên tiếp. Thế nhưng giờ đây, các nhà vật lý đã kiểm soát được hiện tượng này và chế tạo ra một nam châm ổn định từ một nguyên tử.

Nhóm nghiên cứu vừa mới công bố công trình của họ trên tạp chíNaturevào ngày 8/3, đã sử dụng những nam châm đơn nguyên tử để tạo ra một ổ cứng nguyên tử. Thiết bị có thể ghi lại này được làm từ hai nam châm như vậy, có khả năng lưu trữ hai bit của dữ liệu nhưng các hệ thống được thiết kế với quy mô lớn có thể tăng thêm bộ nhớ ổ cứng với mật độ tăng lên 1.000 lần, Fabian Natterer, nhà vật lý tại Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sỹ (EPFL), và là tác giả của công bố, cho biết.

“Đây là một thành công đáng ghi nhớ. Cuối cùng, sự ổn định từ tính trong một nguyên tử đơn lẻ đã được chứng minh một cách thuyết phục,” Sander Otte, nhà vật lý tại ĐH Công nghệ Delft (Hà Lan) nhận xét.

Bên trong một ổ cứng thông thường là một đĩa phân nhỏ thành các khu vực bị từ hóa – mỗi khu vực giống như một thanh nam châm tí hon – các từ trường của chúng có thể hướng lên trên hay xuống dưới. Mỗi hướng đó có thể biểu diễn thành số 1 hay 0 - đơn vị của data được gọi là một bit. Các khu vực bị từ hóa càng nhỏ hơn, càng nhiều dữ liệu có mật độ cao hơn có thể được lưu trữ. Nhưng các vùng được từ hóa phải ổn định, để những số mã hóa 1 hoặc 0 bên trong ổ cứng không bị thay đổi không định được trước.

Những bit thương mại hiện nay bao gồm khoảng một triệu nguyên tử. Nhưng trong các thí nghiệm, các nhà vật lý đã rút số lượng các nguyên tử cần thiết để lưu trữ một bit – từ 12 nguyên tử vào năm 2012 xuống chỉ còn một nguyên tử như vừa công bố. Natterer và nhóm nghiên cứu của ông đã dùng các nguyên tử của nguyên tố holmium, một kim loại đất hiếm, đặt lên một phiến ô xít ma giê trong nhiệt độ dưới 5 kelvin.

Nguyên tố Holmium tương thích một cách đặc biệt với lưu trữ đơn nguyên tử bởi nó có nhiều electron không thành cặp nên có thể tạo được một từ trường mạnh, và các electron này ở trên quỹ đạo gần với tâm của nguyên tử, nơi chúng được che chắn khỏi môi trường. Điều đó giúp cho holmium có được một từ trường lớnvà ổn định, Natterer cho biết. Nhưng bản thân sự che chắn cũng có nhược điểm: nó làm cho holmium trở nên khó tác động. Và đến tận lúc này, nhiều nhà vật lý vẫn còn nghi nhờ là liệu có khả năng xác định thật sự trạng thái đơn nguyên tử hay không.

Các bit của dữ liệu

Để ghi dữ liệu lên một nguyên tử holmium, nhóm nghiên cứu đã dùng xung của dòng điện từ đầu dò từ của máy hiển vi quét xuyên hầm, thứ có thể chuyển hướng từ trường nguyên tử giữa hai mã 1 và 0. Trong các thí nghiệm, các nam châm đã đạt tới sự ổn định, giữ được dữ liệu của chúng trong vòng nhiều giờ, các nhà nghiên cứu không phát hiện ra có sự chuyển hướng không biết trước nào. Họ đã dùng chính máy hiển vi quét xuyên hầm để đọc bit – với những lưu lượng dòng khác nhau cho biết trạng thái từ của nguyên tử.

Để chứng tỏ nhiều hơn nữa việc đầu dò có thể đọc được bit một cách đáng tin cậy, nhóm nghiên cứu, bao gồm cả các nhà nghiên cứu của công ty công nghệ IBM, đã tìm ra một phương pháp đọc bit thứ hai, tuy không trực tiếp. Họ dùng một nguyên tử sắt lân cận với tư cách như một cảm biến từ tính, điều chỉnh nó để cho các tính chất điện tử của nó phụ thuộc vào việc định hướng của hai nam châm nguyên tử holmium trong hệ thống hai bit. Otte cho biết, phương pháp này cũng giúp cho nhóm nghiên cứu có thể đọc được nhiều bit đồng thời, khiến phương pháp trở nên thiết thực hơn và ít lấn tràn hơn kỹ thuật kính hiển vi.

Việc sử dụng những nguyên tử riêng lẻ như các bit từ tính có thể làm tăng thêm mật độ của lưu trữ dữ liệu, Natterer cho biết các đồng nghiệp ở EPFL của ông đang nghiên cứu các cách tạo ra những dãy lớn của các nam châm đơn nguyên tử. Nhưng hệ thống hai bit vẫn còn ở khoảng cách xa để ứng dụng được trong thực tế và còn thua dạng lưu trữ đơn nguyên tử khác, dạng mã hóa dữ liệu tại vị trí của nguyên tử, hơn là tại độ từ hóa của chúng, và đã tạo được một thiết bị lưu trữ dữ liệu có khả năng ghi được một kilobyte (8.192 bit).

Thế nhưng, hệ thống từ tính có một lợi thế là nó có thể tương hợp với spintronics, Otte nhận xét. Kỹ thuật mới nổi này sử dụng các trạng thái từ tính không chỉ để lưu trữ dữ liệu mà còn để chuyển thông tin quanh một máy tính thay cho dòng điện, và làm cho hệ thống thêm tiết kiệm điện năng.

Trong thời gian tới, các nhà vật lý sẽ hết sức hứng thú nghiên cứu về nam châm đơn nguyên tử, chẳng hạn Natterer lên kế hoạch quan sát ba tiểu nam châm được định hướng sao cho từ trường của chúng cạnh tranh với nhau để chúng đổi hướng liên tục. “Hiện tại mọi người có thể thử nghiệm quanh những nam châm đơn nguyên tử này, sử dụng chúng như các miếng xếp hình lego, để xây lên những cấu trúc từ tính từ con số không,” ông nói.