Sơ lược về spin transfer torque

Tôi luôn băn khoăn khi cố tìm một thuật ngữ xúc tích trong tiếng Việt để “Việt hóa” thuật ngữ spin-transfer torque. Nếu dịch là “mômen lan truyền spin” thì dài dòng quá, dịch là “sự lan truyền mômen spin” thì vừa dài lại vừa không chuẩn nghĩa… Tôi viết bài viết ngắn gọn này vừa là để giới thiệu với các bạn đọc, vừa là hi vọng có những nhà nghiên cứu người Việt Nam có thể giúp tôi cắt nghĩa đồng thời đưa ra một thuật ngữ thích hợp trong tiếng Việt. Xin tham khảo thêm bài viết của tôi về vấn đề này trên wiki tiếng Việt.

1. Khái niệm về spin-torque transfer (STT)

Spin torque transfer  là một hiệu ứng vật lý mô tả sự truyền mômen động lượng spin của một điện tử cho một mômen từ mà kết quả của quá trình là mômen từ bị quay đi theo chiều của mônen xung lượng spin đó. Đây là một trong những hiệu ứng nền tảng của công nghệ spintronics và từ học mà ứng dụng của nó là việc điều khiển mômen từ bằng dòng điện tử phân cực spin. Hiệu ứng này rất dễ tưởng tượng và ý tưởng tưởng chừng như rất đơn giản nhưng lại có ý nghĩa rất lớn lao trong các nghiên cứu vật lý gần đây, đặc biệt là trong từ học và spintronics. Có rất ít các nhà nghiên cứu ở Việt Nam tiếp cận vấn đề này nên các bạn sinh viên càng ít có điều kiện biết đến nó. Bản thân tôi (từng là học trò của một trong những GS hàng đầu Việt Nam về từ học) cũng chỉ biết đến nó sau khi tôi rời khỏi Việt Nam.

Hình 1. Tương tác của một dòng spin và mômen từ kết quả sau tương tác gồm 2 dòng: dòng truyền qua và dòng phản xạ (hình từ NIST, USA).

Khái niệm về STT lần đầu tiên xuất hiện vào năm 1996 trong các công trình độc lập của Luc Berger (Đại học Carnegie Mellon) đăng trên tạp chí Physical Review B [1] và J. C. Slonczewski (IBM Thomas Watson) đăng trên Journal of Magnetism and Magnetic Materials [2]. Các lý thuyết này mô tả hiệu ứng từ độ của các lớp màng mỏng từ có thể bị xoay đi khi có một dòng điện tử phân cực spin truyền qua, hoặc tạo ra hiệu ứng sóng spin trong các màng mỏng (từ độ bị quay đi một cách liên tục). Hiệu ứng STT được thực nghiệm khẳng định vào cuối những năm 1990s [3] trên màng mỏng Co. Khi một dòng điện tử truyền qua một lớp vật liệu sắt từ, mômen spin của nó sẽ bị phân cực theo hướng từ độ của lớp sắt từ đó và trở thành dòng điện tử phân cực spin. Dòng điện tử này khi tương tác với mômen từ khác, nó sẽ truyền mômen xung lượng spin của mình cho mômen từ đó, và khiến cho mômen từ bị quay theo chiều của spin phân cực. Đây là nguyên lý của spin torque transfer. Lý thuyết về spin torque transfer tiếp tục được phát triển và độ lớn của mômen truyền spin trong quá trình này có thể được mô tả theo công thức [4]:

\mathbf{M_{st}} = -\mathbf{N_{st}} |g| \mu_B/(\hbar V)

với V là thể tích lớp sắt từ tự do, g là thừa số Landé, μB là Bohr magnetron, -\mathbf{N_{st}} là tenso spin torque được cho bởi:

-\mathbf{N_{st}} = A \mathbf{x} . (\mathbf{Q_{in}} + \mathbf{Q_{refl}} - \mathbf{Q_{trans}})

với A là tiết diện tán xạ, Q là mật độ dòng spin (in: truyền đến, refl: phản xạ và trans: truyền qua).

Trong phương trình LLG (xin xem lại bài viết của tôi về vấn đề này), số hạng của SST được bổ xung vào vế phải của phương trình chuyển động hồi chuyển của mômen từ và được viết như sau:

- \frac{\sigma_j}{M^2} \mathbf{M} \times [\mathbf{M} \times (\mathbf{j} . \nabla) \mathbf{M} ] - \beta \frac{\sigma_j}{M} [\mathbf{M} \times (\mathbf{j} . \nabla) \mathbf{M} ]

Ở đây, J đại diện cho mật độ dòng spin (các số hạng có chứa J sẽ đại diện cho tương tác của dòng spin lên mômen từ) và hệ số spin-torque \sigma_j sẽ được cho bởi [1],[2]:

\sigma_j = \frac{\epsilon \mu_B}{eM(1 + \beta^2)}

2. STT đoạn nhiệt và STT phi đoạn nhiệt

Sự tương tác giữa điện tử phân cực spin và mômen từ có thể bị tác động bởi yếu tố nhiệt bên ngoài, tạo ra hai hiệu ứng: đoạn nhiệt (cách ly với nhiệt) và phi đoạn nhiệt. Hiệu ứng đoạn nhiệt thường  không cho ta sự phụ thuộc của tương tác vào nhiệt độ một cách tường minh trong khi hiệu ứng phi đoạn nhiệt lại là số hạng có được do biến thiên mômen từ theo vị trí (gradient). Khi viết phương trình tương tác STT của mômen từ, ta cần đưa 2 số hạng này vào với các hệ số tùy vào mức độ ảnh hưởng của chúng lên quá trình tương tác, cụ thể [5]:

Số hạng đoạn nhiệt:

-(\mathbf{u}.\mathbf{\nabla}) \mathbf{m}

Số hạng phi đoạn nhiệt:

\beta \mathbf{m} \times [(\mathbf{u}. \mathbf{\nabla}/ \mathbf{m})]

Với \beta là hệ số ảnh hưởng phi đoạn nhiệt (0-1), \mathbf{u}, \mathbf{m} lần lượt là dòng spin và mômen từ rút gọn.

3. Ứng dụng của STT

Có thể nói rằng STT hiện nay đã trở thành một khái niệm có tính phổ quát cao và được ứng dụng mạnh mẽ trong các linh kiện spintronics thế hệ thứ 2. Các ứng dụng của spin torque đều dựa trên nguyên lý quay từ độ bằng dòng điện tử phân cực, hay nói đơn giản là “dòng điện”. Một dòng điện đơn giản, chạy qua một vùng có mômen từ theo một chiều nhất định, nó sẽ bị phân cực spin theo chiều của vùng đó (có thể là một lớp màng mỏng, hay là một vùng đômen từ) và khi truyền đến lớp tiếp theo có mômen từ hướng theo một chiều khác, nó sẽ làm quay mômen từ của lớp đó nhờ hiệu ứng STT và đây chính là nguyên lý ứng dụng của STT.

Dịch chuyển của vách đômen do dòng điện tử phân cực spin

Hình 2. Spin torque transfer: nguyên lý điều khiển các vách đômen từ bằng dòng điện tử phân cực spin (courtesy of S. Maekawa Tohoku University, Sendai, Japa).

Khi dòng điện tử phân cực spin truyền qua một vách đômen từ (là một kết cấu biến đổi liên tục của các mômen từ từ chiều này qua chiều khác), nó làm cho các mômen từ trong vách bị quay dần theo chiều của đômen từ đã phân cực spin điện tử, có nghĩa là làm cho vách đômen bị dịch chuyển dần theo chiều của dòng điện (hình 2). Hiệu ứng này được đặc biệt quan tâm cho ứng dụng trong bộ nhớ racetrack hoạt động dựa trên việc điều khiển các vách đômen từ trong các dây nano (xin xem lại bài viết của tôi về RM), đang hứa hẹn là thế hệ bộ nhớ không tự xóa thế hệ mới [6] hoặc các linh kiện phát sóng microwave bằng cách điều khiển sự dao động của các vách đômen nhờ dòng điện tử [7] hay các cổng logic đơn giản nhỏ gọn [8].

Bộ nhớ MRAM sử dụng spin torque transfer

Hình 3. Nguyên lý của STT MRAM: dòng điện tử phân cực spin cho phép đảo chiều từ độ của các lớp sắt từ với chiều từ độ được định nghĩa là một bit thông tin.

Một trong những ứng dụng khác của spin torque transfer là bộ nhớ RAM từ điện trở sử dụng công nghệ ghi STT. Các bit thông tin được định nghĩa bởi sự định hướng của mômen từ trong các cột nano đa lớp. Như hình vẽ bên, khi điện tử đi qua lớp polarizer, nó sẽ phân cực spin và hiệu ứng STT giúp cho việc điều khiển từ độ của lớp trên cùng (free layer) theo 2 phương tạo ra 2 trạng thái thông tin 1 và 0. Gần đây, hãng Fujitsu giới thiệu sản phẩm MRAM sử dụng spin torque transfer cho phép giảm kích cỡ tới 60% so với công nghệ RAM phổ biến hiện nay [9]. MRAM sẽ là một thế hệ bộ nhớ RAM không tự xóa thay thế công nghệ RAM hiện tại trong một tương lai rất gần (được dựa đoán khoảng không đầy 10 năm tới).

Kết luận

Hi vọng với bài viết này, tôi có thể giúp cho các bạn có một cái nhìn rất đơn sơ và dễ hiểu về hiệu ứng STT – một hiệu ứng rất phổ quát và quan trọng trong công nghệ spintronics. Để nói thêm về tính quan trọng của nó, bạn có thể tham chiếu đến Hội nghị INTERMAG (một trong những hội nghị lớn nhất về từ học và các công nghệ về từ) năm 2011 tại Đài Loan, chỉ riêng phần SPIN-TORQUE đã chiếm tới 3 tiểu ban của Hội nghị để thấy công nghệ này được quan tâm ra sao.

4 Comments

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s