Điều khiển spin bằng ánh sáng: giấc mơ spintronics tốc độ cao liệu có thành hiện thực?

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.

Hơn 25 năm trước (chính xác là 27 năm), lần đầu tiên một linh kiện kết hợp giữa từ và quang chính thức được thương mại hóa tại Mỹ bởi NEXT Computer và sau đó nhanh chóng bị “cướp” mất thị phần bởi hãng SONY (Nhật Bản). Thiết bị lưu trữ này được gọi là “ổ quang từ” – Magneto-Optical Drive (MO drive). Ổ đĩa này tương tự như một đĩa mềm, sử dụng các vật liệu từ. Thông tin được ghi bằng cách dùng một chùm laser đốt nóng vật liệu đến gần nhiệt độ Curie và cho phép ghi dễ dàng nhờ đầu từ. Thông tin lại được đọc bằng chính chùm laser nhờ hiệu ứng quang từ (Magneto-Optical Kerr Effect). Nhờ cách này, các “đĩa mềm” MO dễ dàng tạo ra các bộ lưu trữ có dung lượng vài GB (lớn hơn ổ CD rất nhiều lần) và tốc độ đọc ghi nhanh hơn nhiều so với các ổ quang CD/DVD. Tuy nhiên, thị trường của MO cũng suy giảm một cách nhanh chóng do giá thành quá cao khiến chúng không thể cạnh tranh với các đĩa CD/DVD. Ngày nay, MO chỉ còn được bán rất ít ở Nhật Bản và dường như chỉ mỗi SONY còn giữ bản quyền về thiết bị này.

Hình 1. Nguyên lý điều khiển spin: photon từ xung laser tương tác với mômen từ đang chuyển động xoắn và giúp chúng quay đi (Physics 5, 41 (2012)).).

Đó là chuyện công nghệ ghi quang từ cổ điển. Ngày nay, các nhà nghiên cứu spintronics lại trở lại với giấc mơ “quang – từ” với việc tìm ra các vật liệu có thể tương tác trực tiếp với ánh sáng mà không cần đến từ trường ngoài. Trong một thành tựu gần đây nhất, nhóm nghiên cứu lãnh đạo bởi GS. Theo Raising (Radboud University Nijmegen, Hà Lan) đã chế tạo thành công một vật liệu orthoferrite cho phép đảo trực tiếp từ độ của mẫu nhờ các chùm laser xung cực ngắn (60 femto giây) được giới thiệu trong bài báo mới xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters (de Jong et al., Phys. Rev. Lett. 108, 157601 (2012)). Vật liệu được xử dụng là orthoferrite Sm0.5Pr0.5FeO3 đơn tinh thể, chùm laser xung có bước sóng 800 nm và độ rộng 60 fs được phân cực tròn và hội tụ đến kích thước 75 µm. Ở điều kiện nhiệt độ thấp dưới 98 K, mômen từ của ion Fe3+ sẽ xoay xung quanh trục a của tinh thể, tạo ra tính sắt từ yếu. Xung laser phân cực sẽ cung cấp năng lượng cho mômen từ này nhờ tương tác giữa photon và chuyển động xoay của môen từ và đốt nóng mẫu vượt trên 130 K (nhiệt độ chuyển pha thứ 2), giúp mômen từ này quay trục chuyển động sang trục c nhờ hiệu ứng tái định hướng spin và tạo ra một sự đảo từ (tạo ra một đômen từ nghịch – như hình vẽ 2 dưới đây). Thời gian để đảo spin hoàn toàn theo cơ chế này là 5 ps, tức là nhanh gấp hàng ngàn lần so với các linh kiện spintronics khác được điều khiển bằng dòng điện tử phân cực spin. Thành tựu này được Giáo sư Noriaki Kida (Đại học Tokyo) trong một bài tổng quan (Physics 5, 41 (2012)) đánh già là một bước tiến quan trọng trong kỹ thuật điều khiển spin nhờ ánh sáng. Vậy là giấc mơ kết hợp các linh kiện spin với ánh sáng để tạo ra một thế hệ “opto-spintronics” với tốc độ siêu cao lại thêm một cơ sở để được hiện thực hóa trong một tương lai gần.

Hình 2. Kết quả về sự hình thành đômen từ nhờ điều khiển bằng chùm laser: ảnh chụp đômen từ hình thành theo thời gian chiếu chùm laser (Phys. Rev. Lett. 108, 157601 (2012)).

Thêm về nhóm Theo Raising: có lẽ đây là một trong những nhóm nghiên cứu mạnh nhất thế giới về chủ đề “Ultrafast magnetization dynamics”: điều khiển và tương tác từ tính với tốc độ siêu cao bằng ánh sáng. Theo Raising cũng được xem là chuyên gia hàng đầu về vấn đề này. Tôi còn nhớ một lần được xem seminar của ông tại Glasgow cách đây 4 năm về chủ đề này.

Đọc thêm:

N. Kida, Physics 5, 41 (2012)).

J. A. de Jong et al., Phys. Rev. Lett. 108, 157601 (2012).

T. Kampfrath et al., Nature Photon. 5, 31 (2011).

S. Parkin, G. Aeppli, and B. Hickey, Phil. Trans. R. Soc. A 369, 3553 (2011).

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