Chế tạo vi mạch vận chuyển dựa trên bộ nhớ của ram máy tính

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Colorado Boulder, Hoa Kỳ, phối hợp với Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia, đã phát triển một vi mạch công suất nhỏ thế hệ mới. Thiết bị kết hợp công nghệ vi lỏng với các chuyển mạch từ trường, nhằm bẫy, phóng thích và vận chuyển những hạt từ tính trong các kênh cực nhỏ. Những hạt này được xem là phương tiện tiềm năng để đưa các phân tử sinh học, chẳng hạn DNA, đến đúng vị trí cần xử lý trong hệ thống vi lỏng. Điểm đổi mới quan trọng nằm ở việc sử dụng các chuyển mạch từ trường tương tự những linh kiện xuất hiện trong bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên RAM. Trong các hệ thống vi lỏng thông thường, bơm và van đảm nhiệm việc đẩy chất lỏng cùng hạt từ tính đi qua mạng lưới kênh. Cách vận hành đó thường đòi hỏi nguồn điện liên tục, đồng thời cần làm mát thường xuyên để hạn chế nguy cơ hạt từ tính bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ cao. Vi mạch mới loại bỏ những hạn chế trên, nhưng vẫn duy trì khả năng truy cập ngẫu nhiên hai chiều và lưu giữ trạng thái ngay cả khi nguồn điện bị tắt. Tính năng lưu giữ này khiến thiết bị gần với nguyên lý bộ nhớ máy tính, trong đó thông tin hoặc trạng thái vận hành không biến mất ngay sau khi ngừng cấp điện. Trong mẫu trình diễn, hai dòng chuyển mạch từ tính đặt cạnh nhau tạo thành một cấu trúc giống chiếc thang dành cho các hạt di chuyển. Mỗi dòng gồm 12 tấm phim mỏng, vốn là những van quay thường được dùng làm cảm biến từ tính trong đầu đọc ổ đĩa cứng mật độ cao. Tuy nhiên, trong thiết kế mới, các van quay được tối ưu hóa để tạo bẫy từ tính, thay vì chỉ phát hiện thay đổi từ trường trên bề mặt lưu trữ. Các xung điện ngắn chuyển trạng thái từ trường của từng van quay, đặt van ở trạng thái bật để giữ hạt hoặc tắt để giải phóng hạt. Khi một van phóng thích hạt, hạt từ tính dịch chuyển xuống cấu trúc bậc thang hình thành bởi hai dòng van quay được điều khiển riêng biệt. Ban đầu, những hạt từ tính lơ lửng trong nước muối phía trên các van quay, sau đó được sắp xếp thành dãy theo trình tự điều khiển. Cơ chế này cho phép hệ thống thao tác từng hạt trong không gian nhỏ, thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào dòng chất lỏng liên tục như nhiều thiết bị trước đây. Nhà vật lý John Moreland thuộc NIST nhận định đây là một hướng tiếp cận hoàn toàn mới đối với công nghệ vi lỏng. Ông nhấn mạnh rằng quá trình chuyển trạng thái của nam châm vĩnh cửu không tiêu tốn năng lượng sau khi trạng thái đã được thiết lập. Nhờ chuyển trạng thái rất nhanh, các van quay cũng góp phần hạn chế hiện tượng nóng lên, nên vi mạch không cần hệ thống làm mát phức tạp. Năng lượng chủ yếu chỉ được cung cấp trong thời gian chuyển đổi, với mỗi lần diễn ra trong khoảng thời gian ngắn hơn một phần triệu giây. Trước đó, các nhà nghiên cứu NIST từng chứng minh van quay có thể bẫy và xoay những hạt từ tính trong các hệ thống được kiểm soát. Gần đây, nhóm nghiên cứu còn được trao hai bằng sáng chế liên quan đến ý tưởng chế tạo vi mạch từ tính phục vụ thao tác vi mô. Những kết quả này mở rộng khả năng sử dụng vật liệu từ tính trong các quy trình sinh học, nơi việc điều khiển hạt chính xác giữ vai trò đặc biệt quan trọng. Các vi mạch từ tính đã được xem xét trong những thử nghiệm trên cơ thể sống, gồm tinh lọc protein và DNA, đồng thời phá vỡ hoặc phân chia tế bào. Khi kết hợp điều khiển từ trường với công nghệ vi lỏng, thiết bị có thể trở thành nền tảng cho các thao tác phân tử và tế bào tinh vi hơn. Sự xuất hiện của vi mạch mới cũng mở ra nền tảng khái niệm cho những bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính phức tạp hơn, gọi là MRAM, trong sinh học.