Một bài viết cũ của tôi trên trang chủ Vật lý Việt nam.
Các linh kiện vi điện tử khai thác đồng thời cả spin của điện tử cũng như điện tích của điện tử được gọi là các linh kiện spintronics hứa hẹn sẽ tạo nên một cuộc cách mạng trong công nghiệp điện tử. Bài viết này được dịch từ bài viết của Tony Bland*, Kiyoung Lee và Stephan Steinmüller (đều đang làm việc tại Phòng thí nghiệm Cavendish, Đại học Cambridge, Vương quốc Anh) tóm tắt về những thử thách mà “cuộc cách mạng” này gặp phải nhằm tìm ra một phương hướng có thể tích hợp các chất bán dẫn vào mạch điện của spintronics (bài viết là một bài viết tiêu điểm của Tạp chí Physicsworld).
1. Mở đầu
Tám mươi năm trước, các nhà vật lí lí thuyết gặp phải một vấn đề: họ thiếu một cách mô tả các hạt cơ bản sao cho phù hợp với những nguyên lí trong lí thuyết tương đối hẹp của Eistein và lí thuyết mới hình thành là cơ học lượng tử. Vào năm 1927, Erwin Schrödinger đã thiết lập phương trình cho chuyển động cơ học lượng tử cho các điện tử, nhưng nó lại cũng vấp phải vấn đề là chính các điện tử cũng là các hạt tương đối tính. Bị băn khoăn bởi vấn đề này, Paul Dirac đã xây dựng hệ thống để giải các bài toán.
Phương trình Dirac đến sau năm đó là một thành công rực rỡ về mặt toán học cho phép giải thích hai hiện tượng vật lí không mong muốn. Đầu tiên là sự tồn tại của các phản hạt, lần đầu tiên được xác nhận vào năm 1932 với sự phát hiện ra các positron (phản hạt của điện tử). Thứ hai là điện tử phải có một mômen động lượng riêng, hay còn gọi là spin, mà chỉ có hai chiều định hướng (hướng lên trên – up, hướng xuống dưới – down) theo chiều của từ trường đặt vào.
Điện tử được “pháp luật công nhận” là trái tim của cách mạng vi điện tử, nơi mà nó phải chạy như một con thoi trong các chất bán dẫn (mà phổ biến là Silicon – Si) để cho phép các transistor và các linh kiện các hoạt động. Và cho đến tận bây giờ, sau hơn 70 năm phát hiện mang tính chất đột phá về spin của điện tử, các linh kiện điện tử, từ các lò vi sóng cho đến các thiết bị trong thiên văn, vũ trụ học vẫn chỉ khai thác duy nhất thuộc tính điện tích của điện tử, hay nói cách khác, công nghiệp bán dẫn đã chút nữa bỏ quên mất thuộc tính spin của điện tử.
Một lí do “biện hộ” cho vấn đề này là sự thành công trong việc tí hon hóa các linh kiện. Trong vòng 40 năm qua, số lượng transistor trên một đơn vị diện tích có thể ăn mòn trong một chíp Si, cứ 18 tháng lại tăng gấp đôi theo đúng xu hướng của định luật Moore. Nhưng rồi chúng ta cũng nhanh chóng tiến tới giới hạn mà kích thước nhỏ và sự xếp chặt các transistor có thể gặp phải là lượng nhiệt sản sinh ra không thể tản mát một cách đủ nhanh, và những hiệu ứng cơ học lượng tử không mong muốn có thể loại chúng đến những thuộc tính mà ta không mong muốn chút nào.
Nếu như định luật Moore còn tiếp tục, ta sẽ phải tìm ra một cách khác với kỹ thuật vi điện tử truyền thống – và đây chính là thời kì mà spin của điện tử cần được khai thác trong các linh kiện điện tử – spintronic. Trong khi mà các linh kiện truyền thống trên nguyên lí chỉ là sự điều khiển dòng các điện tích thì một linh kiện spintronic cũng sẽ là điều khiển dòng spin của điện tử (gọi là dòng spin) trong các linh kiện, tạo ra thêm một bậc tự do nữa.
Hình 1. Spindoctor: Bằng cách pha tạp Mn, tính sắt từ được tạo ra trong chất bán dẫn GaAs, do đó cho phép sử dụng trong tiêm spin (Kết quả của A Yazdani và D Kitchen, Princeton University).
Bởi vì spin của điện tử có thể đảo chiều (đảo giữa 2 chiều up và down) nhanh hơn rất nhiều so với việc điều khiển dòng điện tích chạy trong mạch điện, do đó các linh kiện spintronic sẽ hoạt động nhanh hơn và tiêu tốn ít nhiệt hơn nhiều so với các phần tử vi điện tử truyền thống. Một trong những mục tiêu cơ bản là xây dựng lên các transistor trên cơ sở spin mà có thể thay thế các transistor truyền thống trong mạch tích hợp và các linh kiện nhớ, và do đó cho phép sự “tí hon hóa” vẫn được tiếp tục.Tuy nhiên, spintronics cũng mở ra một cánh cửa tới một loại linh kiện hoàn toàn mới, ví dụ như các diode phát quang (LED) mà có thể tạo ra ánh sáng phân cực tròn trái hay phải có thể sử dụng trong thông tin viễn thông mật mã. Và nhìn xa hơn nữa về tương lai, các linh kiện spintronic thậm chí có thể sử dụng để tạo nên các bit lượng tử (qubit), đơn vị của thông tin được xử lí bởi máy tính lượng tử.
Tuy nhiên, để có thể tạo ra cuộc cách mạng spintronic, các nhà nghiên cứu cần tìm ra cách để tiêm (inject), thao tác (manipulate) và ghi nhận spin của điện tử trong các chất bán dẫn bởi dường như các vật liệu này vẫn chiếm vị trí trung tâm trong vật lí các linh kiện trong một tương lai có thể dự đoán được. Thao tác trên các spin dường như đang trên đà thẳng tiến, nhưng tiêm và ghi nhận spin vẫn còn vấp phải hàng loạt vấn đề dưới các trở ngại thực tế, tạo nên một thử thách lớn.
2. Thành tựu khổng lồ
Spin của điện tử thực ra đã là một vấn đề lớn ngay bên ngoài công nghiệp điện tử. Trên thực tế, các linh kiện spintronics trên nền các kim loại từ tính đã được tạo ra trong các đĩa cứng ở trên mọi máy tính có mặt trên hành tinh này. Từ năm 1988, Peter Grünberg (Trung tâm Nghiên cứu Jülich, Đức), và Albert Fert (Đại học Paris-Sud, Pháp) đã độc lập phát hiện ra rằng dòng điện tử phân cực spin giữa hay lớp mỏng các kim loại sắt từ ngăn cách bởi một lớp phi từ có thể tăng khoảng 3% bằng cách thay đổi sự định hướng tương đối về từ độ giữa các lớp từ tính từ song song đến phản song song. Đó là hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (Giant MagnetoResistance – GMR), và phát hiện này đã đem lại giải Nobel Vật lí năm 2007 cho hai nhà vật lí này. Ứng dụng ngay lập tức của hiệu ứng này là tạo nên đầu đọc ổ cứng nhạy hơn rất nhiều, và do đó có thể đọc được những thông tin lưu trữ trong những bit từ rất nhỏ trên đĩa từ – có nghĩa là giúp cho việc tăng mật độ lưu trữ của đĩa từ.
Hình 2. Spin-based devices: Nguyên lý một số linh kiện sử dụng spin: transistor phân cực spin, LED phát quang spin....
Khả năng vận chuyển spin giữa hai lớp kim loại cũng là nền móng cho các bộ nhớ RAM từ trở (MRAM) - một phần tử nhớ kiểu mới của máy tính mà cho phép giữa lại thông tin mà không đòi hỏi nguồn nuôi. MRAM được giựa trên hiệu ứng tương tự như GMR là hiệu ứng từ điện trở chui hầm (Tunnelling MagnetoResistance – TMR), mà ở đó sự thay đổi về tính chất điện được tạo ra khi hai lớp kim loại sắt từ bị ngăn cách bởi một lớp vật liệu cách điện rất mỏng, ví dụ như nhôm ôxit (Al2O3), manhe ôxit (MgO)… Thay vì các điện tử phân cực spin khuếch tán một cách chậm chạp từ lớp sắt từ này sang lớp khác như trong GMR, ở TMR, chúng phải chạy qua nhờ hiệu ứng chui hầm lượng tử (trong cơ học cổ điển điều này là không thể do sự ngăn cách của rào thế của lớp cách điện) – và các linh kiện kiểu này được gọi là các lớp tiếp xúc từ chui hầm (Magnetic tunnelling junctions – MTJs). Nguyên lí loại trừ Pauli lúc này sẽ sảy ra. Sự chui hầm – và do đó có sự vận chuyển spin qua rào thế – chỉ có thể xảy ra nếu có các trạng thái trống với cùng spin ở chiều khác của rào thế, có nghĩa là sự chui hầm ở đây phụ thuộc vào spin (spin-dependent tunnelling).
Hình 3. MTJs: Lớp tiếp xúc từ chui hầm.
Thực chất, hiệu ứng chui hầm phụ thuộc spin đã được phát hiện từ năm 1975 bởi Michel Jullière ở Trung tâm Khoa học Ứng dụng Quốc gia ở Lyon, Pháp nhưng ở nhiệt độ thấp. Và sự đột phá chỉ diễn ra khi Terunobu Miyazaki (Đại học Tohoku, Nhật Bản) và Jagadeesh Moodera (Viện Công nghệ Massachusetts, MIT, Mỹ) độc lập phát hiện ra hiệu ứng TMR xảy ra ở nhiệt độ phòng. Thật không may, sự thay đổi của điện trở suất (tỉ số TMR) trong các linh kiện của Miyazaki và Moodera chỉ là từ 12 đến 18%, có nghĩa là thấp hơn rất nhiều so với yêu cầu thực tế để có thể sử dụng trong các linh kiện nhớ. Tuy nhiên, hàng loạt các nghiên cứu tiếp theo về hiệu ứng TMR đã cải thiện tính chất này, và tạo ra hiệu ứng TMR trong các linh kiện công nghiệp đến 70% ngay từ những năm cuối của thập kỉ 90 của thế kỉ 20.
Và gần đây, khả năng chế tạo một cách tự động các lớp chuyển tiếp (interface) mỏng giữa các lớp kim loại và các lớp ôxit (ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu ứng TMR) đã cho phép tạo ra hiệu ứng TMR tới 400% theo như các nghiên cứu của nhóm Stuart Parkin (Trung tâm Nghiên cứu Almaden IBM, California, Mỹ) và Shinji Yuasa ở Viện Nghiên cứu Điện tử học Nano (National Institute of Industrial Science and Technology, AIST) Nhật Bản. Và MRAM thương phẩm đã sẵn sàng trở thành hiện thực và sẽ nhanh tróng xuất hiện trong các máy tính trong một tương lai không xa.
3. Sự kêu cứu của từ tính
Silicon và Gallium Arsenide (GaAs) là hai loại vật liệu bán dẫn được sử dụng rộng rãi nhất và thử thách là tìm ra các vật liệu có sự phân cực spin – vý dụ như các vật liệu mà ở đó hầu hết các spin của điện tử bị định hướng theo một chiều nhất định – có thể tổ hợp được với chúng. Ứng cử viên đầy hứa hẹn là các vật liệu bán dẫn pha loãng từ (Dilute magnetic semiconductors – DMS) là các vật liệu bán dẫn được pha tạp các nguyên tố khác sao cho nó tạo ra tính sắt từ.
Vào năm 1999, hai nhóm nghiên cứu đã độc lập tiêm các điện tử phân cực spin từ một vật liệu bán dẫn từ vào GaAs. Laurens Molenkamp cùng các cộng sự ở Đại học Würzburg (Đức) đã giữ được 90% độ phân cực khi tiêm các spin từ bán dẫn phân cực spin vào cấu trúc GaAs ở nhiệt độ thấp, mặc dù nguồn tiêm bán dẫn đòi hòi từ trường ngoài để giữ độ phân cực. Mặt khác, nhóm nghiên cứu của Hideo Ohno ở Đại học Tohoku, Nhật Bản cùng với nhóm hợp tác của David Awschalom ở Đại học California, Santa Barbara (Mỹ) cũng tạo nên một “kì công” tương tự khi tiêm spin phân cực từ một DMS mà không đòi hỏi từ trường ngoài, mặc dù các nhà nghiên cứu chỉ đạt được độ phân cực spin tiêm vào là 1%. Đồng thời, các thý nghiệm này cũng chứng tỏ rằng có thể tiêm spin vào một chất bán dẫn, và phát triển một linh kiện thực tế, bước tiếp theo sẽ là tìm kiếm một vật liệu bán dẫn pha loãng từ mà có thể cho phép tiêm spin một cách mạnh mẽ ở nhiệt độ phòng mà không nhờ đến sự trợ giúp của từ trường ngoài.
Năm 2000, Thomas Dietl (Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan, Vácxava, Ba Lan) đã tạo nên một đột phá quan trọng cho vấn đề này. Thomas đã chỉ ra rằng nhiệt độ cao nhất (nhiệt độ Curie) mà tính sắt từ còn tồn tại trong các vật liệu bán dẫn pha loãng từ có thể tăng một cách đáng kể khi chúng được pha tạp với hàm lượng tăng dần của các các phần tử từ tính (vý dụ như Co, Mn…). Các tính toán của Thomas dựa trên một khái niệm ban đầu được giả thiết bởi nhà vật lý Mỹ Clarence Zener vào những năm 1950s, mà ở đó tương tác giữa các mômen từ của các nguyên tử tạp chất bị cầm tù (localized) và các lỗ trống được giải phóng (delocalized) trong chất bán dẫn có thể dẫn đến việc định hướng các mômen từ như trong các chất sắt từ. Hơn nữa, hiệu ứng này có thể khắc phục hiệu ứng hủy định hướng gây ra bởi nhiệt độ cao. Đáng kể nhất là, các tính toán của Thomas Dietl đã giả thiết rằng các vật liệu bán dẫn sử dụng phổ biến là kẽm ôxit (ZnO), GaAs với sự pha tạp đủ mức, có thể tạo ra hiệu ứng sắt từ tốt ở trên cả nhiệt độ phòng, và do đó như một ánh sáng lóe lên cho những sự nỗ lực để phát triển các vật liệu bán dẫn pha loãng từ.
Tuy nhiên, tìm ra một vật liệu mà có độ phân cực spin tốt ở trên nhiệt độ phòng không chỉ là một thử thách trong việc phát triển các công cụ tiêm spin thực tế. Đầu tiên, cần có một độ phân cực spin lớn để có thể tiêm đủ các điện tử phân cực spin vào chất bán dẫn. Thứ hai, phải có khả năngn điều khiển tính chất của các lớp chuyển tiếp tạo ra khi mà các vật liệu là nguồn tiêm được lắng đọng trên các chất bán dẫn. Tong khi phát triển các lớp tiếp xúc từ chui hầm vào những năm 90, các nhà nghiên cứu đã biết được rằng tính chất của một vài lớp nguyên tử sát gần với lớp chuyển tiếp có một ảnh hưởng đáng kể lên hiệu suất tiêm spin. Điều này là do một sự chộn lẫn hóa học nhỏ giữa các lớp có thể dẫn đến sự tán xạ của các điện tử đến các trạng thái mới và do đó thực chất một lượng nhỏ hơn các điện tử có thể đi qua lớp chuyển tiếp mà vẫn giữ được độ phân cực. Đã rất khó có thể điều khiển được tính chất của các vật liệu bán dẫn từ ở dạng khối, và vì thế còn khó khăn hơn khi mà vật liệu được lắng đọng ở dạng màng mỏng trong các linh kiện. Đạt được một lớp chuyển tiếp đủ sạch giữa các vật liệu bán dẫn từ và chất bán dẫn do đó vẫn tạo ra một thử thách không nhỏ cho các nhà nghiên cứu trong quá trình xây dựng các linh kiện spintronic dựa trên vật liệu bán dẫn từ.
4. Ảo tưởng chui hầm
Tuy nhiên, có một cách tiếp cận khác một cách căn bản để đạt được sự tiêm spin. Trong khi nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào các vật liệu bán dẫn pha loãng từ thì một số khác lại lập luận rằng nếu như các điện tử phân cực spin có thể truyền qua một lớp chuyển tiếp giữa chất bán dẫn và kim loại sắt từ thì kim loại đó có thể sử dụng như một bộ phân cực spin cực kì hiệu quả. Hơn nữa, tiếp xúc kim loại – bán dẫn đã được nghiên cứu nhiều thập kỉ trước, và do đó sẽ dễ dàng hơn nhiều trong việc điều khiển các tính chất của lớp tiếp xúc trong các cấu trúc linh kiện này.
Vào cuối những năm 1990, nhiều nhóm nghiên cứu đã cố gắng để tiêm các điện tử phân cực từ các kim loại và hợp kim sắt từ lắng đọng trực tiếp trên GaAs nhưng độ phân cực đạt được trong những nghiên cứu tiên phong này chỉ đạt được cỡ vài phần trăm. Một ngọn gió mới đã thổi bùng các ý tưởng vào năm 2000 khi mà Georg Schmidt cùng các cộng sự ở Đại học Würzburg sử dụng một mô hình đơn giản của mạng điện trở để chỉ ra rằng độ phân cực spin gần 100% có thể phải cần trong các kim loại sắt từ để có thể tiêm một độ phân cực spin hữu ích vào trong chất bán dẫn. Độ phân cực spin cao như vậy hoàn toàn có thể đạt được trong thực tế, do đó chỉ trong một thời gian ngắn, dường như là các chất tiêm spin cho chất bán dẫn chỉ có một lối thoát duy nhất này.
Hình 5. Tiêm và ghi nhận spin theo kiểu điện - quang.
Tuy nhiên, cách nhìn này lại trở lại điểm xuất phát gần như ngay lập tức khi Emmanuel Rashba (MIT) nhận ra rằng việc tạo ra một rào thế chui hầm giữa kim loại sắt từ và chát bán ẫn có thể giải quyết vấn đề này. Ông dự đoán rằng độ phân cực spin trong các kim loại dẫn điện có thể được giữ nguyên trong suốt quá trình chui hầm, và do đó rào thế này tương tự như một tiếp xúc từ chui hầm. Theo đó, một sự nỗ lực đã được dự tính là thúc đẩy việc nghiên cứu độ phân cực spin được tiêm trong một cấu trúc kim loại sắt từ – gallium arsenide và do đó chất bán dẫn này đã tạo ra một thế chui hầm kiểu Schottky ở lớp tiếp xúc. Té ra là loại cấu trúc này cũng chứng minh được khái niệm spin-LED: khi một điện tử phân cực được tiêm từ một lớp sắt từ vào một chất bán dẫn, nó sẽ tái hợp với một lỗ trống và kết quả là phát ra một ánh sáng phân cực tròn (Trong các LED cổ điển, ánh sáng phát ra là không phân cực do điện tử vào lỗ trống tái hợp là không phân cực). Nhiều nhóm nghiên cứu hiện nay đang cố gắng khai thác hiện tượng này để phát triển linh kiện spin-LED thực tế.
Tuy nhiên, do số các điện tử phân cực spin có thể cho nó đi qua rào thế phụ thuộc vào các tính chất của nó, một số nhà nghiên cứu đã thử thay thế rào thế Schottky bằng một lớp mỏng điện môi để cố tăng tín hiệu tiêm spin trong các hệ kim loại sắt từ – bán dẫn. Vào năm 2003, Pol Van Dorpe cùng các cộng sự ở Trung tâm Vi điện tử liên đại học (Interuniversity Microelectronics Centre, IMEC), Leuven, Bỉ đã đạt được một độ phân cực spin hơn 20% ở nhiệt độ thấp với lớp điện môi Al2O3. Hai năm sau đó, nhóm của Parkin ở IBM đã chỉ ra rằng sử dụng MgO là lớp điện môi có thể cải thiện được chất lượng nhưng độ phân cực tiêm vào lại rất nhạy với cấu trúc tinh thể của vật liệu rào thế.
Trong lúc đó, sự tiến triển cũng đang được tạo ra trong một số thử thách lớn đòi hỏi phải vượt qua để xây dựng một linh kiện spin: ghi nhận spin. Một cách để thực hiện điều này là đảo ngược sự phát triển để cho phép một spin-LED có thể làm việc. Bằng cách chiếu một ánh sáng phân cực vào rào thế Schottky kim loại sắt từ – GaAs dị thể, một đám các điện tử phân cực spin sẽ được sản sinh trong đế GaAs (theo quy tắc lọc lựa quang học cho chất bán dẫn này). Các điện tử này có thể chui hầm trở lạii qua rào thế Schottky vào vùng kim loại sắt từ, nơi mà chúng sẽ được ghi nhận tín hiệu điện và do đó tạo ra một cách ghi nhận spin. Vào năm 2004, nhóm của Bland ở Cambridge sử dụng cấu trúc kiểu này để chỉ ra rằng hiệu ứng này tạo ra một hiệu điện thế phụ thuộc vào phần trăm điện tử trong kim loại sắt từ bị phân cực. Và từ đó, nhóm đã nhận thấy rằng bằng cách thay thế đơn lớp kim loại sắt từ với một cấu trúc đa lớp kim loại kiểu spin-valse GMR (hai lớp kim loại sắt từ ngăn cách bởi một lớp kim loại phi từ, và thêm một lớp phản sắt từ ghim từ độ của một lớp sắt từ), dòng điện chạy vào lớp kim loại có thể được xác định một cách riêng biệt từ dòng điện chạy trong lớp bán dẫn cho cấu trúc spin-valse tác động như một cổng mà cho phép đóng hay mở dòng điện chạy vào lớp kim loại nhờ sự định hướng của từ độ của lớp kim loại sắt từ. Sử dụng cấu trúc spin-valse trong cách này cho phép định lượng hiệu ứng lọc spin của lớp chuyển tiếp và do đó có thể xác định được độ phân cực của dòng điện được ghi nhận.
5. Các vấn đề về lớp interface
Sáu năm sau tiên đoán của Dietl về nhiệt độ Curie của một số vật liệu bán dẫn pha loãng từ có thể tăng một cách đáng kể với sự pha tạp của các nguyên tố sắt từ. Và đến nay vẫn chưa ai tìm ra được một vật liệu bán dẫn sắt từ nào thích hợp để có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng và có thể sử dụng trong thực tế của các linh kiện bán dẫn spintronic. Trong khi những cố gắng phát triển kỹ thuật spintronic dựa trên vật liệu bán dẫn từ vẫn còn đang tiếp tục thì những sự phát triển đáng ghi nhận của công nghệ tiếp xúc từ chui hầm đã đem lại một sự thúc đẩy lớn lao cho vệc sử dụng các kim loại sắt từ tổ hợp với các chất bán dẫn. Trong khi mà các kim loại chuyển tiếp sắt từ không tạo ra độ phân cực spin 100% thì điều này có thể không cần thiết cho một linh kiện thực: lí thuyết đã dự đoán rằng bằng cách điều khiển cấu trúc và thành phần của các lớp interface, và sử dụng các rào thế thích hợp các hệ kim loại sắt từ trong tương lai có thể tạo nên sự tăng cường một cách đáng kể sự truyền qua của spin thông qua các vật liệu tiêm/ghi nhận spin.
Sự phát triển đầy thành công của các lớp tiếp xúc từ chui hầm đã chỉ ra rằng tính chất của một vài lớp nguyên tử gần với interface có những ảnh hưởng tới hạn lên sự truyền spin. Trong tương lai, sẽ rất quan trọng cho việc điều khiển một cách chính xác cấu trúc của vật liệu được sử dụng trong các linh kiện spintronic bán dẫn bằng cách tạo ra một sự liên quan giữa sự định hướng tinh thể của lớp interface và của các vật liệu dùng để tiêm và ghi nhận spin và rõ ràng là có rất nhiều lộ trình mới đầy hứa hẹn cho nghiên cứu. Trong khi khó có thể nói rằng nó sẽ tốn thời gian bao lâu, nhưng dường như càng ngày càng thấy rõ là cuộc cách mạng spintronic bán dẫn sẽ được tăng tốc bởi các linh kiện sử dụng các màng mỏng kim loại chuyển tiếp như đã được sử dụng trong MRAM và các linh kiện sử dụng các lớp tiếp xúc từ chui hầm.
Tóm lại:
· Cùng với điện tích, điện tử có mômen động lượng nội tại, hay là spin, có thể định hướng theo hai chiều (up và down) theo chiều của từ trường ngoài.
· Spin của điện tử hiện tại đã được khai thác trong ổ cứng của các máy tính và trong bộ nhớ RAM từ điện trở thông qua hiệu ứng từ điện trở khổng lồ và từ điện trở chui hầm xảy ra trong các màng mỏng kim loại đa lớp.
· Các linh kiện bán dẫn khai thác spin cũng như là điện tích sẽ hoạt động nhanh hơn rất nhiều so với các linh kiện vi điện tử truyền thống và còn đem lại nhiều tính năng mới.
· Thử thách chính để xây dựng nên các linh kiện này là sự chuyển vận một cách hiệu quả các điện tử phân cực spin vào trong và ra ngoài vùng bán dẫn trong các linh kiện.
· Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang đi theo hai cách tiếp cận để tiêm và ghi nhận spin: sử dụng các chất bán dẫn pha loãng từ lắng đọng trên các chất bán dẫn truyền thống và kim loại sắt từ lắng đọng trên các chất bán dẫn.
Tài liệu tham khảo
D D Awschalom et al. 2007 The diamond age of spintronics Scientific American 297 58
J A C Bland et al. 2005 Optical studies of electron spin transmission Ultrathin Magnetic Structures IV (ed) B Heinrich and J A C Bland (Springer, New York) pp59–100
T Dietl 2003 Dilute magnetic semiconductor: functional ferromagnets Nature Materials 2 646
B T Jonker and M E Flatté 2006 Electrical spin injection and transport in semiconductors Nanomagnetism (ed) D L Mills and J A C Bland (Elsevier, Amsterdam) pp227–272
H Ohno et al. 2000 Electric-field control of ferromagnetism Nature 408 944
S A Wolf et al. 2001 Spintronics: A spin-based electronics vision for the future Science 294 1488
I Zutic et al. 2004 Spintronics: fundamentals and applications Rev. Mod. Phys. 76 323
Sau hơn 1 năm cặm cụi với việc setup phòng thí nghiệm mới, 12th MMM/Intermag ở Chicago là hội nghị quốc tế về từ học và vật liệu từ (magnetism and magnetic materials) đầu tiên tôi quay lại với cộng đồng magnetism để chém gió khoe khoang. Điều đọng lại sau 5 ngày hội nghị (14-18/01/2013) là magnetism giờ đã trở nên quá khó để vươn tới đỉnh cao và khám phá những điều mới.
Graphene là một vật liệu siêu mỏng, chỉ bao gồm một lớp nguyên tử Carbon liên kết với nhau thành một mạng lưới với nhiều tính chất tuyệt vời. Nghiên cứu về graphene đã đem lại giải 
Trong rất nhiều các bài viết của tôi, tôi thường nhắc đến một thuật ngữ “spintronics” mà 
, và có thể định hướng theo 2 chiều là chiều lên (spin up) và chiều xuống (spin down).
lần lượt là số lượng spin định hướng theo các chiều up và down.
Spintronics bắt đầu được phát triển dựa trên các thành tựu về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (từ điện trở khổng lồ, từ điện trở chui hầm…) và được dựa trên hai nền tảng vật liệu là các vật liệu sắt từ kim loại và vật liệu bán dẫn pha loãng từ
Đômen và vách đômen trong các vật liệu sắt từ là những khái niệm cơ bản về từ học vi mô đã được giả thiết từ năm 1906 bởi nhà vật lý người Pháp Pierre-Ernest Weiss
Spintronics – cơn sốt trên thế giới trong hơn 2 thập kỷ qua và được cho là công nghệ tiếp theo thay thế cho công nghệ điện tử đương thời. Nếu như công nghệ điện tử đương thời sử dụng điện tích của điện tử làm đơn vị căn bản (điện tích à dòng điện) thì công nghệ spintronics lại lấy spin của điện tử (spin à dòng spin) làm căn bản. Điều khiển điện tích thường đòi hỏi năng lượng cao, khó tạo ra khả năng lưu trữ không tự xóa, tốc độ chậm và dễ bị nhiễu điện tử; còn điều khiển dòng spin lại hoàn toàn “mềm mượt” không nhiễu, tốc độ cao hơn dòng điện tử và khả năng lưu trữ gần như vĩnh cửu. Vấn đề cấp bách nhất hiện nay của spintronics – công nghệ điều khiển dòng spin, là hiện thực hóa bài toán năng lượng – tạo ra linh kiện tiêu tốn ít năng lượng hơn so với công nghệ điện tử truyền thống như được “quảng cáo” ban đầu. Trên thực tế thì công nghệ spin phổ biến vẫn sử dụng các lực truyền thống (dòng điện tử spin) để điều khiển (dù sao vẫn có gì đó không được khoái cho lắm về tốc độ). Nhìn sang các linh kiện quang, các nhà nghiên cứu vẫn ấp ủ giấc mơ kết hợp với các linh kiện quang để tạo ra các linh kiện spintronics siêu tốc bởi ai cũng biết ánh sáng có tốc độ nhanh thế nào. Giấc mơ ấy vẫn đang được miệt mài nghiên cứu trên các vật liệu có khả năng đảo từ nhờ ánh sáng.
Mới đây, Hitachi Global Storage Technologies vừa 
