Memory từ tính không cần dòng điện lớn để ghi? Nanomaterial mới muốn loại bỏ nhiệt lãng phí ngay trong mỗi bit

Muốn đổi một bit trong bộ nhớ từ tính, cách quen thuộc là dùng dòng điện để tạo từ trường hoặc truyền mô-men spin vào lớp từ. Cách đó hoạt động tốt, nhưng điện trở của đường dẫn biến một phần năng lượng thành nhiệt Joule ngay trong quá trình ghi. Khi hàng tỷ ô nhớ cùng thu nhỏ và chuyển trạng thái liên tục, phần nhiệt tưởng như rất nhỏ ở từng bit trở thành một vấn đề ở cấp chip.

Một nhóm tại Institute of Science Tokyo, phối hợp với Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology cùng các nhà nghiên cứu ở Mỹ, vừa chứng minh một hướng khác ở quy mô nano: dùng điện trường để đảo từ hóa trong các nanodot làm từ vật liệu multiferroic BiFe_0.9Co_0.1O₃, viết tắt BFCO. Các nanodot có đường kính trung bình khoảng 190 nm, hoạt động ở nhiệt độ phòng và giữ trạng thái từ sau khi điện trường được bỏ đi.

Nghiên cứu được công bố ngày 17/6/2026 trên Science Advances. Science Tokyo công bố lại kết quả bằng tiếng Anh ngày 3/9, nhấn mạnh khả năng hướng tới bộ nhớ kiểu voltage-write, magnetic-read: ghi bằng điện áp, đọc bằng trạng thái từ. Điểm cần giữ đúng mức độ là nhóm chưa chế tạo một chip nhớ hoàn chỉnh và cũng chưa báo cáo năng lượng tiêu thụ trên mỗi lần ghi. Đây là một demonstration ở cấp nanomaterial và nanostructure.

Vì sao bộ nhớ từ tính hiện nay lại sinh nhiệt khi ghi?

Bit từ tính lưu 0 và 1 bằng các hướng từ hóa ổn định. Ưu thế của cách lưu này là tính không bay hơi: khi mất nguồn, hướng từ vẫn còn nên dữ liệu không biến mất như trong DRAM.

Khó khăn nằm ở bước đổi hướng từ hóa. Trong spin-transfer torque MRAM (STT-MRAM), một dòng electron phân cực spin đi qua magnetic tunnel junction và truyền mô-men động lượng cho lớp từ tự do. Spin-orbit torque MRAM (SOT-MRAM) tách đường ghi khỏi tunnel junction, nhưng vẫn dùng dòng trong một lớp vật liệu có spin-orbit coupling mạnh để tạo mô-men quay từ hóa. Cả hai cách đều cần dịch chuyển điện tích qua vật liệu có điện trở, vì thế tạo Joule heating.

Điện trường cho một lối thoát về nguyên lý. Thay vì buộc một dòng lớn chạy xuyên qua ô nhớ, ta đặt điện áp lên hai phía của một cấu trúc và dùng trường điện để thay đổi trạng thái vật liệu. Nếu điện tích chỉ cần nạp và xả như một tụ điện, lượng nhiệt do dòng dẫn có thể giảm mạnh.

BFCO hấp dẫn chính ở điểm này vì nó là multiferroic: trong cùng một vật liệu tồn tại cả trật tự điện — ferroelectric polarization — và trật tự từ. Quan trọng hơn, hai trật tự này liên kết với nhau. Đổi hướng phân cực điện có thể kéo cấu hình từ thay đổi theo.

Một điện trường làm cấu trúc phân cực “quay mặt” ra ngoài

Nhóm nghiên cứu tạo các nanodot BFCO trên nền Nb:SrTiO₃ bằng pulsed laser deposition qua mặt nạ alumina anodized. Mỗi dot trung bình rộng khoảng 190 nm. Ở trạng thái ban đầu, cấu trúc phân cực bên trong không đơn giản là tất cả dipole cùng hướng.

Các vector phân cực trong dot tạo một cấu trúc topo kiểu center-convergent: thành phần trong mặt phẳng hướng vào tâm, trong khi thành phần vuông góc bề mặt chủ yếu hướng xuống. Sau khi nhóm quét một cantilever có điện áp bias −26 V qua vùng mẫu, thành phần phân cực vuông góc đảo từ xuống lên và cấu trúc trong mặt phẳng chuyển sang center-divergent, tức các vector hướng ra khỏi tâm.

Đây là một lần đảo phân cực tổng thể 180°, nhưng điều nhóm thực sự muốn biết là: từ hóa có đi theo hay không?

Để trả lời, họ dùng hai kỹ thuật hình ảnh bổ sung cho nhau. Piezoresponse force microscopy (PFM) lập bản đồ polarization. Sau đó scanning nitrogen-vacancy center magnetometry dùng một khuyết tật NV trong đầu dò kim cương để đo từ trường rò cực nhỏ phía trên từng nanodot.

Khi so sánh trước và sau khi áp điện trường, các miền từ trong dot cũng đổi dấu. Nhóm quan sát được sự đảo của cả thành phần từ hóa trong mặt phẳng lẫn vuông góc bề mặt. Nói cách khác, điện trường không chỉ làm phần điện của BFCO đổi trạng thái; sự tái cấu trúc polarization kéo trạng thái từ đổi theo.

Từ hóa không đơn giản “lật” 180° như một mũi tên

Cơ chế bên trong BFCO phức tạp hơn một bit nam châm hai chiều. BiFeO₃ nguyên bản là vật liệu antiferromagnetic với cấu trúc spin cycloidal. Khi thay khoảng 10% Fe bằng Co, cấu trúc cycloid bị phá vỡ và xuất hiện trạng thái spin canted, tạo một moment từ tổng nhỏ nhưng khác 0 ở nhiệt độ phòng.

Trong BFCO, hướng polarization xác định một mặt phẳng dễ cho magnetization. Khi polarization được chuyển trạng thái, các moment từ có thể tái định hướng trong những mặt phẳng này. Phân tích của nhóm cho thấy trong một dot được chọn, magnetization ở các quadrant khác nhau quay những góc như 120° hoặc 180°; một số miền khác chỉ có thể giới hạn hướng trong một khoảng vì phép đo chưa đủ để xác định duy nhất cấu hình.

Điều này vừa là lợi thế vừa là vấn đề. Lợi thế là một nanodot có thể mang nhiều cấu hình từ khác nhau, về lý thuyết cho phép lưu nhiều trạng thái hơn một bit nhị phân đơn giản. Vấn đề là memory thực tế cần chuyển trạng thái deterministic: cùng một xung điện phải đưa ô nhớ đến đúng trạng thái mong muốn hết lần này đến lần khác.

Ngay chính các tác giả cũng thừa nhận điều đó. Thí nghiệm hiện dùng đầu dò quét có điện áp để tạo trường cục bộ. Bước tiếp theo mà paper đề xuất là dùng điện cực hình vòng tạo điện trường phân bố đồng đều hơn, nhằm tái tạo có kiểm soát sự thay đổi của cả bốn miền phân cực và từ trong dot.

“Không cần dòng lớn” chưa có nghĩa đã biết năng lượng mỗi bit

Đây là giới hạn quan trọng nhất khi đọc kết quả theo góc tiết kiệm điện. Paper không báo cáo một con số femtojoule hay picojoule cho mỗi thao tác ghi trên nanodot 190 nm. Nó cũng không đo trực tiếp lượng nhiệt mà một ô nhớ BFCO phát ra so với một cell STT-MRAM thương mại.

Các tác giả dẫn những nghiên cứu trước trên film BiFeO₃, nơi điều khiển từ bằng điện trường đã đạt mức năng lượng khoảng 100 μJ/cm² — thấp hơn khoảng một bậc độ lớn so với giá trị STT-MRAM mà tài liệu đó dùng để so sánh. Nhưng không nên chuyển con số này thành năng lượng của nanodot trong thí nghiệm mới. Hình học, điện cực, điện dung, điện áp và cơ chế đọc của một device hoàn chỉnh sẽ quyết định mức tiêu thụ thực.

Điện áp −26 V dùng qua AFM tip cũng cao hơn nhiều so với điện áp ghi mong muốn trên một chip logic hiện đại. Tuy nhiên, điện áp ở đầu dò nano không thể so trực tiếp một-một với điện áp của transistor vì điện trường phụ thuộc mạnh vào khoảng cách và hình học điện cực. Muốn đánh giá khả năng tích hợp CMOS, nhóm còn phải chứng minh switching với cấu trúc electrode thực tế, ở điện áp thấp hơn và với leakage đủ nhỏ.

190 nm vẫn còn lớn đối với một memory cell tiên tiến

Một hạn chế khác là kích thước. Dot 190 nm đủ nhỏ để xuất hiện các domain topo phức tạp, nhưng vẫn lớn so với các magnetic tunnel junction tiên tiến có đường kính chỉ vài chục nanomet.

Nhóm đã có nền tảng từ một nghiên cứu trước năm 2024, trong đó BFCO nanodot khoảng 60 nm có thể tồn tại ở trạng thái ferroelectric và ferromagnetic single-domain. Paper mới nhắc lại mật độ lý thuyết của các dot 60 nm ở mức khoảng 10 Gbit/cm². Các tác giả còn thảo luận rằng nhiều hướng magnetization trong một dot có thể tăng mật độ trạng thái lên nhiều lần.

Nhưng họ đồng thời nói rõ việc điều khiển toàn bộ 6⁴ cấu hình từ khả dĩ của một dot bốn quadrant sẽ quá phức tạp trong ứng dụng thực. Đây là một ví dụ điển hình về khoảng cách giữa “số trạng thái vật lý tồn tại” và “số trạng thái một memory controller có thể ghi, đọc và sửa lỗi ổn định”.

Từ nanodot tới MRAM còn thiếu cả một stack thiết bị

Để trở thành bộ nhớ, BFCO không chỉ cần đảo từ hóa. Một cell thực tế còn cần điện cực ghi có thể định địa chỉ từng bit, cơ chế đọc có signal đủ lớn, transistor chọn ô, đường word/bit line, endurance qua hàng tỷ chu kỳ, retention trong nhiều năm và một quy trình chế tạo tương thích với backend của CMOS.

Trong thí nghiệm hiện tại, trạng thái từ được đọc bằng scanning NV magnetometry — một công cụ đo phòng lab có độ nhạy cao, không phải kiến trúc readout có thể đặt dưới mỗi bit. Nhóm hướng tới khái niệm magnetic-read, nhưng cách đọc tích hợp cụ thể vẫn là phần phải được phát triển.

Vật liệu cũng được tạo bằng pulsed laser deposition ở nhiệt độ substrate khoảng 600°C trong nghiên cứu. Nếu BFCO phải được tích hợp sau các transistor CMOS, thermal budget và khả năng phủ đồng đều trên wafer lớn sẽ trở thành những câu hỏi sản xuất quan trọng.

Vì vậy, giá trị hiện tại của công trình không nằm ở việc BFCO sắp thay STT-MRAM. Nhóm đã làm được một việc cơ bản hơn nhưng cần thiết: trực tiếp nhìn thấy polarization topo và magnetization trong cùng các nanodot, rồi chứng minh điện trường có thể tái cấu trúc phần điện và kéo phần từ đảo theo ở nhiệt độ phòng.

Nếu bước tiếp theo có thể chuyển từ đầu dò −26 V sang điện cực tích hợp, hạ điện áp ghi, đo được năng lượng mỗi lần switching và lặp lại quá trình với endurance cao, khi đó lợi ích “loại bỏ nhiệt Joule khỏi mỗi lần ghi” mới có thể được định lượng ở cấp device. Hiện tại, BFCO mới cho thấy vật lý cần thiết để hướng tới mục tiêu đó — chưa phải một memory cell sẵn sàng lên chip.