Các nhà khoa học ở Mĩ và Anh đã tìm ra một phương pháp lưu trữ và đọc dữ liệu dựa vào spin nguyên tử khi sử dụng các xung điện tử. Đột phá này có thể giúp đẩy nhanh sự phát triển của các hệ thống spintronic, là các quá trình thông tin sử dụng spin và có thể dùng vào kỉ thuật tính toán lượng tử.
Spintronic là một lĩnh vực nổi bật của vật lý chất rắn, nổ lực sử dụng spin như điện tích của điện tử để tăng hiệu quả của các quá trình xử lý thông tin. Nhưng một vấn đề với spin điện tử là chúng có thời gian sống quá ngắn, dễ dẫn tới mất hoặc làm hỏng dữ liệu. Vì nguyên nhân này, các nhà khoa học hiện đang tìm kiếm những cách mới tốt hơn để lưu trữ và khôi phục dữ liệu từ các hệ spin.
Một cách để lưu trữ thông tin dựa trên spin là sử dụng khuyết điểm của vùng cấm ni-tơ của tinh thể kim cương, và trong những năm gần đây đã cho thấy nhiều hứa hẹn. Nhưng lo ngại trong việc sử dụng kim cương là khó có thể cạnh tranh được với các thiết bị điện tử sử dụng sillicon thông thường, mà một số đã được tích hợp vào các máy tính.
Đột phá dựa trên sillicon
Mới đây, Dane McCamey ở Đại học Utah, thành phố Salt Lake và các đồng sự đến từ Đại học Tiểu bang Florida, Tallahasee và Đại học Luân Đôn đã tìm thấy một cách mới để lưu trữ và đọc spin trong một loại chất bán dẫn: SiP. Sự kiện này đánh dấu lần đầu tiên việc lấy được những dữ liệu được lưu giữ trong hạt nhân nguyên tử.
Trước đây các nhà nghiên cứu cũng đã cố gắng đưa các biểu đồ thông tin về spin (cho biết 1 spin là lên hay xuống) vào trong hạt nhân và sau đó đọc nó nhưng khả năng thành công khá thấp. Câu trả lời đến từ nhóm của McCamey là phân cực tất cả các điện tử dẫn trong SiP để cho chúng có cùng trạng thái spin. Điều này được thực hiện bằng cách làm lạnh vật liệu xuống vài độ trên không độ tuyệt đôú và đặt vào một từ trường cỡ 8,5T. Khi đó, họ có thể gửi một xung điện từ với tần số vài Tera-Héc (1012Hz) để ghi một spin lên hoặc xuống vào các điện tử đang quay quanh nguyên tử photpho(P), trước khi gửi một sóng vô tuyến làm chuyển spin này vào trong hạt nhân.
Nhóm nghiên cứu thấy rằng, hạt nhân nguyên tử có thể lưu trữ spin lâu gấp 300 000 lần so với thời gian sống của spin điện tử. Để đọc thông tin spin, các nhà nghiên cứu đơn giản chỉ thực hiện quá trình ngược lại: gửi một sóng vô tuyến để chuyển lại spin từ hạt nhân ra các điện tử và khi đó, gửi một xung nữa, cỡ Tera-Héc với cường độ lớn hơn dành cho spin lên.
Đọc và viết spin. (ảnh: Gavin W Morley)
Linh hoạt và dể sử dụng
“Việc phát triển mô hình này cho các ứng dụng trong tương lai của tính toán lượng tử hay các thiết bị spin điện tử sẽ phụ thuộc chủ yếu vào việc liệu kỉ thuật này có linh hoạt và tương đối dể sử dụng bởi cộng đồng hay không,” Sankar Das Sarma, nhà lý thuyết ngưng tụ làm việc tại Đại học Maryland cho biết. “Còn quá sớm để nói trước được điều gì. Những gì tôi có thể nói là tôi rất phấn khích với kỉ thuật thông minh vừa được khám phá này và tôi hi vọng nó có một tương lai sáng sủa với spintronic.”
Theo John Morton, một nhà khoa học vật liệu tại Đại học Oxford, khó khăn để phát triển mô hình này thành các ứng dụng có thể phụ thuộc vào chính các ứng dụng đó. Nhiệt độ thấp và từ trường lớn không thật sự tốt cho các máy tính thông thường, nhưng lại là tiên quyết cho các thiết bị spintronic. Tuy nhiên, nhiệt đọ thấp có thể không phải là vấn đề cho các máy tính lượng tử, là các máy tính sử dụng vật lý lượng tử để biểu diễn các phép tính nhanh hơn rất nhiều so với các máy được sử dụng hiện nay.
“Vì một máy tính lượng tử có thể giải quyết vấn đề mà các máy tính ngày nay không thể nào bì kịp về thời gian, sẽ không có vấn đề gì nếu bạn cần làm việc ở 5K,” Morton cho biết. “Sẽ không có vấn đề gì nếu bạn chỉ có một thời gian ngắn để chạy các chương trình sữa lổi, và bạn có thể thực hiện cùng lúc, điều bạn không thể làm ở nơi nào khác.”
McCamey nói với physicsworld.com rằng nhóm của ông hiện đang có kế hoạch giảm số hạt nhân được sử dụng, để họ có thể cô lập dần các hạt nhân theo biểu diễn của các tế bào nhớ.
Công trình được đăng trên Science 330 1652.
Tác giả: Jon Cartwright
Theo Physicsworld.com
