Làm quen với spintronics

Trong rất nhiều các bài viết của tôi, tôi thường nhắc đến một thuật ngữ “spintronics” mà bài gần đây nhất có giới thiệu một hướng nghiên cứu trong spintronics dựa trên các vật liệu phản sắt từ, hay những thử thách về linh kiện spintronics sử dụng chất bán dẫn, mà quên không có một bài giới thiệu “spintronics là gì”. Đối với những nhà nghiên cứu các vấn đề trong vật lý chất rắn và khoa học vật liệu, có lẽ thuật ngữ “spintronics” không còn quá xa lạ (xem loạt bài về chủ đề spintronics trên blog của tôi), nhưng có lẽ nó còn khá mới mẻ với các bạn đọc ở còn ngồi trên ghế nhà trường (sinh viên đại học, học sinh phổ thông, hay thậm chí các anh chị cao học học chuyên môn không liên quan). Một điều hơi đáng tiếc là hướng nghiên cứu này ở Việt Nam hiện nay ít được quan tâm do sự đổi hướng nghiên cứu từ những nhà quản lý khoa học và vật lý nên khiến cho các bài giảng về nó trong các chuyên đề vật lý cũng hầu như biến mất. Bài viết này hi vọng sẽ là một lời giới thiệu sơ lược về một ngành nghiên cứu đang rất nóng bỏng trên thế giới, hứa hẹn một thế giới linh kiện điện tử mới hoàn toàn khác với thế giới bán dẫn của thế kỷ 20.

Spin điện tử và spintronics?

Nếu tôi không nhầm spintronics từng được một số nhà vật lý ở Việt Nam dịch ra một số thuật ngữ khác nhau là: “điện tử học spin”, hoặc “spin tử học”, và chính bản thân tôi khi viết bài trên wiki tiếng Việt đã dịch là “điện tử học spin”, nhưng rồi cũng bị vướng vào băn khoăn không rõ dịch như vậy đúng hay sai (tôi không phải là nhà ngôn ngữ học). Chúng ta có thể xuất phát từ tiếng Anh. Trong một bài tổng quan giới thiệu về spintronics của nhóm tác giả Igor Žutić, Jaroslav Fabian và S. Das Sarma đăng trên tạp chí danh tiếng Reviews of Modern Physics năm 2004 (Rev. Mod. Phys. 76, 323–410 (2004)), spintronics được định nghĩa là: “Spintronics is a multidisciplinary field whose central theme is the active manipulation of spin degrees of freedom in solid-state systems.”, tạm dịch là “Spintronics là một lĩnh vực đa ngành mà chủ đề trung tâm là các thao tác tích cực lên các bậc tự do của spin trong các hệ chất rắn”. Khái niệm spin ở đây cần được chú thích thêm là spin của đơn điện tử được thể hiện qua mômen từ spin m_s = -g.m_B.S (m_B là Bohr magneton, g là thừa số Landé có giá trị 2,0023 cho điện tử tự do, S là mômen spin) hoặc qua spin trung bình của một hệ các điện tử liên hợp thể hiện qua từ độ của hệ. Có thể tạm hiểu đơn giản là spintronics là một lĩnh vực đa ngành, mà trái tim của nó là nghiên cứu điều khiển spin của điện tử trong vật liệu (kết hợp với nhiều các thao tác khác như quang, điện…) để xây dựng lên những khái niệm linh kiện kiểu mới – linh kiện có thông tin dựa trên spin điện tử. Spintronics là từ kết hợp của spin electronics, tức là nó có thể tạm hiển là một thế hệ linh kiện điện tử mới với các tính chất đặc biệt dựa trên spin của điện tử – theo một định nghĩa khác trên một bài tổng quan năm 2001 trên tạp chí Science (S. A. Wolf et al., Science 294, 1488-1495 (2001)). Tôi đặc biệt khuyên các bạn trẻ tìm hiểu về spintronics nên đọc hai bài báo này,  đây là những bài báo tổng quan có thể là tốt nhất về spintronics hiện nay.

Tôi muốn dành vào dòng để nói lại về spin của điện tử. Điện tử có hai đặc tính rất quan trọng là điện tích và spin. Điện tích đã được con người khai thác từ rất lâu mà đặc trưng đơn giản đó là dòng điện. Các linh kiện điện tử truyền thống sử dụng điện trường để điều khiển điện tích của điện tử trong các linh kiện. Spin là một đặc trưng của điện tử, được hiểu một cách đơn giản là tạo ra từ việc điện tử (mang điện tích) chuyển động quay quanh trục của nó giống như Trái Đất và các hành tinh… tạo nên mômen động lượng spin và mômen từ spin (chú ý đây là cách hiểu đơn giản theo kiểu cổ điển, còn mô tả theo cơ lượng tử thì nghe “rắc rối” hơn). Spin của điện tử có độ lớn là , và có thể định hướng theo 2 chiều là chiều lên (spin up) và chiều xuống (spin down).

Linh kiện spintronics làm việc như thế nào?

Bạn có thể tưởng tượng một cách rất hình ảnh và đơn giản là đơn vị điều khiển của spintronics là dòng spin. Nếu như trong linh kiện điện tử cổ điển, bạn điều khiển dòng điện tích để tạo ra tín hiệu thì ở linh kiện spintronics, bạn điều khiển dòng spin. Về nguyên tắc, dòng điện tích điều khiển phải sử dụng điện trường, do đó nó sẽ dễ dàng bị nhiễu bởi các yếu tố điện – từ trường bên ngoài, đồng thời thường đòi hỏi tiêu tốn một lượng điện năng lớn. Bên cạnh đó, chuyển động của dòng điện tích chỉ là chuyển động cơ học của các hạt vật chất, do đó rất khó tạo ra được tốc độ cao. Có nghĩa là công nghệ bán dẫn truyền thống đang bước tới gần giới hạn cuối cùng của thang kích thước, năng lượng và tốc độ. Ngược lại, dòng spin chuyển động có thể không mang yếu tố cơ học (thuần là các mômen spin chuyển động theo dạng sóng), không bị nhiễu bởi điện từ trường ngoài và trên nguyên tắc năng lượng tiêu tốn rất thấp. Và con người mong muốn tạo ra một thế hệ điện tử mới (spintronics) tiêu tốn ít năng lượng, tốc độ hoạt động nhanh và không bị nhiễu. Điều lý thú hơn cho các thiết bị lưu trữ thông tin nếu sử dụng công nghệ spintronics là thông tin spin gần như vĩnh cửu bởi spin chỉ có định hướng theo hai chiều và nó lưu lại theo kiểu tương tự như nam châm vĩnh cửu. Spintronics khi kết hợp với công nghệ nano sẽ tạo ra những linh kiện ở thang nano, và do đó tăng mật độ linh kiện.

Các kiểu linh kiện spintronics (Hình từ Tohoku Univ.).

Như vậy, điều khiển dòng spin chính là then chốt của công nghệ spintronics. Tôi muốn đi xa thêm một số khái niệm về việc “điều khiển dòng spin”:

-          Dòng spin (spin current): là dòng chuyển động của các spin. Đại lượng đặc trưng cho dòng spin là “độ phân cực spin” (spin polarization), là đại lượng được xác định bằng mức độ định hướng theo một chiều nhất định của spin trong các hạt cơ bản, được xác định là phần trăm sai khác giữa nồng độ các spin định hướng theo hai phương lên hoặc xuống:

Với lần lượt là số lượng spin định hướng theo các chiều up và down.

-          Truyền spin (spin transfer): khả năng truyền spin từ các dòng spin tới các nguyên tử vật liệu, từ khu vực này tới khu vực khác. Chú ý là vấn đề truyền spin trong các vật liệu phi từ tính là một vấn đề rất khó, đó cũng là một lý do mà đến nay hầu hết spintronics vẫn chưa thể nhảy ra ngoài thị trường. Một trong những cơ chế truyền spin là spin-transfer torque tôi từng viết bài giới thiệu trước đây.

-          Tiêm spin (spin injection), bơm spin (spin pumping): khả năng đưa spin vào các vùng không có spin bằng các nguồn bên ngoài.

-          Tích lũy spin (Spin accumulation): khả năng tích lũy spin tại các khu vực theo ý muốn.

-          Điều khiên spin bằng ánh sáng

Các linh kiện spintronics

Một cách tương đối, có thể chia các linh kiện spintronics thành 3 thế hệ:

Thế hệ thứ nhất: Gồm các linh kiện dựa trên các hiệu ứng từ điện trở như GMR, TMR, trong các màng mỏng từ tiếp xúc dị thể kim loại-kim loại hoặc kim loại-điện môi…, ví dụ như các cảm biến, đầu đọc từ trở trong các đĩa cứng, các bộ nhớ RAM từ điện trở (MRAM), các transitor kim loại (hay transitor lưỡng cực), transitor valse spin, công tắc/khoá đóng mở spin, …

Thế hệ thứ hai: Bao gồm các linh kiện hoạt động dựa trên việc tiêm hoặc bơm dòng phân cực spin qua tiếp xúc dị thể bán dẫn-sắt từ hay bán dẫn từ-bán dẫn (điều này giúp cho việc tận dụng được các kỹ thuật vi điện tử hiện nay). Đó là các mạch khoá siêu nhanh, các bộ vi xử lý spin và mạch logic lập trình được,… Các linh kiện này sử dụng các vật liệu bán dẫn pha loãng từ, bán dẫn sắt từ hay các bán kim, các linh kiện vận chuyển đạn đạo (ballistic electron transport) sử dụng hiệu ứng từ điện trở xung kích, và các loại transistor spin như ở thế hệ thứ nhất. Một thế hệ linh kiện spin mới đang được phát triển mạnh và rất có triển vọng hiện nay là các bộ nhớ từ và các cổng lôgic dựa trên điều khiển vách đômen trong các cấu trúc nano từ tính.

Thế hệ thứ ba: Là các linh kiện sử dụng các cấu trúc nano (dạng chấm lượng tử, dây và sợi nano) và sử dụng các trạng thái spin điện tử đơn lẻ như cổng logic lượng tử (là cơ sở cho máy tính lượng tử), các transistor đơn spin (SSET), …

Spin transistor (hình từ wiki).

Cảm biến van spin thuộc thế hệ linh kiện đầu tiên đã được chế tạo và đưa vào sử dụng ở mức độ thương phẩm từ cuối thế kỷ 20 trong các đầu đọc của ổ đia cứng. Một số linh kiện điển hình của thế hệ này là kính hiển vi từ điện trở, đầu đọc ghi ổ cứng tốc độ cao, phím bấm không tiếp xúc, động cơ không chổi than, giải mã vạch, đếm tốc độ, máy trợ thính, … Các bộ nhớ MRAM không tự xóa đang bắt đầu có sản phẩm thương phẩm, và được dự đoán là sẽ chiếm lĩnh thị trường thương mại và tiêu dùng trong những năm sắp tới.

Lịch sử của spintronics

Spintronics thực ra là một ngành rất mới, chỉ mới ra đời hơn 20 năm trước, sau những thành tựu của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ và những thành tựu tiếp theo về các vật liệu sắt từ (các vật liệu có độ phân cực spin cao, vật liệu quang từ…). Giải Nobel Vật lý năm 2007 trao cho Albert Fert và Peter Grünberg cho phát minh của họ về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ chính là một ghi nhận sự phát triển của spintronics. Và đến nay, spintronics có thể tạm theo ba trường phái:

Spintronics trong các vật liệu kim loại: Hướng nghiên cứu này phát triển dựa trên các thành tựu về hiệu ứng từ điện trở, tạo ra từ các màng mỏng kim loại sắt từ. Sản phẩm ở mức độ thương phẩm của hướng nghiên cứu này là ổ cứng dung lượng cao, bộ nhớ RAM từ điện trở… Hướng nghiên cứu này đang trở nên mạnh mẽ và rất có triển vọng phát triển thành hiện thực với sự phát triển của dòng linh kiện điều khiển các vách đômen trong các cấu trúc nano từ tính. Việc điều khiển động học của các vách đômen cho phép tạo ra các cổng lôgic, các bộ nhớ… với chất lượng cao và cơ cấu rất đơn giản. Bài viết gần đây của tôi giới thiệu về bộ nhớ racetrack chính là thành tự theo trường phái này.

Spintronics sử dụng các vật liệu bán dẫn: Hướng nghiên cứu này tạo ra các linh kiện spintronic dựa trên việc điều khiển dòng điện tử phân cực spin trong các vật liệu bán dẫn. Để tạo ra được linh kiện loại này thì việc tiêm spin, điều khiển spin và ghi nhận spin phân cực trong chất bán dẫn đóng vai trò then chốt.

Spintronics điều khiển siêu nhanh nhờ ánh sáng: Sử dụng các xung laser cực ngắn, điều khiển các spin với tốc độ siêu nhanh, cho phép tạo ra các linh kiện spintronics có tốc độ cao. Bài viết gần đây của tôi có giới thiệu thành tựu này.

Bộ nhớ racetrack memory: linh kiện lưu trữ spintronics điều khiển vách đômen (IBM Almaden).

About these ads