✨Điện tử học spin

Điện tử học spin

Điện tử học spin (tiếng Anh: spintronics) là một ngành đa lĩnh vực mà mục tiêu chính là thao tác và điều khiển các bậc tự do của spin trong các hệ chất rắn. Nói một cách đơn giản, spintronics là một ngành nghiên cứu mới nhằm tạo ra các linh kiện mới dựa trên việc điều khiển và thao tác spin của điện tử.

Spin của điện tử

Điện tử có hai đặc tính rất quan trọng là điện tích và spin. Điện tích của điện tử được gọi là điện tích nguyên tố và có giá trị đặc trưng là e = 1,6.10−19 C (mang dấu âm), và 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. Spin của điện tử có độ lớn là S = \frac{1}{2} \hbar, và có thể định hướng theo 2 chiều là chiều lên (spin up) và chiều xuống (spin down).

Mômen từ spin của điện tử có giá trị:

\mu_s = -g.\mu_B.S

μB = 9.274 009 49(80) × 10−24 J·Tesla−1 là Magneton Bohr, đơn vị của mômen từ, g = 2,0023 cho điện tử tự do goi là thừa số Landé.

Thực tế mô tả spin như chuyển động quay chỉ là cách mô tả đơn giản mang tính chất hình ảnh nhưng không hoàn toàn chính xác, spin thực tế là đặc trưng của các hạt cơ bản. Các hạt cơ bản có spin bán nguyên gọi là các fermion, chúng tuân theo phân bố Fermi-Dirac, còn các hạt cơ bản có spin nguyên gọi là các boson, chúng tuân theo phân bố Bose-Einstein.

Sự ra đời của spintronics

Sự hình thành của spintronics xuất phát từ những phát kiến về hiệu ứng từ điện trở. Spintronics bắt đầu ra đời với sự phát hiện của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (giant magnetoresistance - GMR) được phát hiện vào năm 1988, đồng thời bởi 2 nhóm nghiên cứu ở Pháp lãnh đạo bởi Albert Fert và ở Đức do Peter Grünberg đứng đầu và hiệu ứng từ điện trở chui hầm (tunneling magnetoresistance - TMR) vào năm 1995. Hai tác giả đứng đầu hai nhóm này là Albert Fert và Peter Grünberg đã nhận được giải thưởng Nobel Vật lý năm 2007 cho những đóng góp quan trọng cho sự hình thành của spintronics trên cơ sở phát minh về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ.

Mục tiêu quan trọng của spintronics là hiểu về cơ chế tương tác giữa spin của các hạt và môi trường chất rắn, từ đó có thể điều khiển cả về mật độ cũng như sự chuyển vận (transportation) của dòng spin trong vật liệu. Những câu hỏi lớn được đặt ra cho ngành spintronics là:

  • Cách nào hiệu quả nhất để phân cực một hệ spin?
  • Một hệ spin có thể nhớ trạng thái định hướng trong bao lâu?
  • Làm thế nào để ghi nhận spin? Mô hình một số linh kiện spin: a) spin diode, b,c,d) spin transistor

Các khái niệm và thao tác trên linh kiện spintronics

  • Độ phân cực: Hiểu một cách đơn giản là tỉ lệ sai lệch giữa spin định hướng theo 2 chiều lên và xuống, được cho bởi công thức: : P = \frac{n{\upharpoonright} - n{\downharpoonright{n{\upharpoonright} + n{\downharpoonright

với n{\upharpoonright}, n{\downharpoonright} lần lượt là mật độ spin up và spin down.

  • Dòng phân cực spin: Là khái niệm được đề xuất năm 1935 bởi Mott để giải thích các tính chất bất thường của điện trở trong các kim loại sắt từ. Mott cho rằng ở nhiệt độ đủ thấp sao cho tán xạ trên magnon đủ nhỏ thì các dòng chuyển dời điện tử chiếm đa số (có spin song song với từ độ) và thiểu số (có spin đối song song với từ độ) sẽ không bị pha trộn trong quá trình tán xạ. Sự dẫn điện có thể coi là tổng hợp của hai dòng độc lập và không cân bằng của hai loại spin có chiều khác nhau. Đó chính là khái niệm về dòng phân cực spin. Và mô hình của Mott được gọi là mô hình hai dòng điện, và sau đó được nhóm của Campel mở rộng vào năm 1936, và sau đó tiếp tục được bổ sung hoàn thiện và là một khái niệm quan trọng để mô tả hiệu ứng từ điện trở cũng như các quá trình trong linh kiện spintronics.
  • Tiêm spin, bơm spin: Trong một số chất ở trạng thái sắt từ, mật độ spin up và down là cân bằng nhau và không tạo ra dòng phân cực spin và không hữu ích cho các linh kiện spintronics. Người ta có thể tạo ra các dòng phân cực spin trong các chất này bằng cách dùng các nguồn để đưa dòng phân cực spin vào từ bên ngoài, gọi là quá trình tiêm spin (spin injection) hay bơm spin (spin pumping).
  • Truyền dẫn spin
  • Tích lũy spin

Vào thời điểm hiện tại, các nghiên cứu về spintronics có hai xu hướng:

Các linh kiện dựa trên các vật liệu từ 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.

Hướng nghiên cứu dựa trên các linh kiện 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. Hiện hướng nghiên cứu này đang gặp những cản trở lớn:

  • Tạo ra các chất bán dẫn mang tính chất từ (gọi là các chất bán dẫn pha loãng từ) có tính sắt từ ở trên nhiệt độ phòng, hoặc các chất bán kim sắt từ có độ phân cực spin cao.
  • Đưa được dòng điện tử phân cực spin vào trong chất bán dẫn trên quãng đường đủ dài để ghi nhận spin.
  • Các vấn đề gặp phải của các lớp chuyển tiếp giữa các lớp vật liệu gây sự tán xạ và làm mất độ phân cực spin.
  • Vướng mắc giữa việc sử dụng lớp phân cực spin là các kim loại sắt từ hay các vật liệu bán dẫn từ, sử dụng các lớp tiếp xúc từ chui hầm....

Một số linh kiện spintronics

[[Bộ nhớ racetrack, một sản phẩm của spintronics thế hệ thứ hai đang dần trở thành hiện thực với sản phẩm thử nghiệm từ IBM.]] 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 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 electron theo đường 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),...

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. 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 gần đây.

Ưu điểm của các linh kiện spintronics

  • Tiêu thụ ít năng lượng hơn: Việc chuyển trạng thái 0 và một trong các linh kiện điện tử truyền thống được thực hiện bằng cách vận chuyển điện tích vào/ra khỏi các kênh củatransistor. Điều đó đòi hỏi phải tiêu tốn năng lượng vì việc vận chuyển điện tích đòi hỏi phải tạo ra được độ dốc của trường thế (hay điện trường), do đó bị tổn hao thành nhiệt và không thể bù đắp được, trong khi các linh kiện spintronics đảo trạng thái dựa trên việc đổi định hướng spin.
  • Không gây ồn/nhiễu như điện tích: spin không liên kết dễ dàng với điện trường phát tán (trừ khi tương tác spin-quỹ đạo rất mạnh ở trong các vật liệu) nên tránh được nhiễu và ồn của điện tích.
  • Thao tác nhanh hơn vì không phải mất thời gian cho việc vận chuyển điện tích, chỉ mất thời gian đảo phương spin. Tóm lại, đối với spin chỉ cần đảo chiều theo 2 chiều "lên" và "xuống" nên đòi hỏi tiêu tốn ít năng lượng và mất ít thời gian hơn nhiều.
  • Người ta dự đoán rằng công nghệ spintronics sẽ góp phần quan trọng vào sự phát triển của công nghệ điện tử - tin học - viễn thông trong thế kỷ 21. Các đặc trưng của các thiết bị điện tử thế hệ mới này có tính tổ hợp cao (cả điện tử hoc, từ học và quang tử), đa chức năng, thông minh, nhỏ gọn, tiêu thụ ít năng lượng nhưng hiệu suất cao, xử lý và khả làm tươi (refresh) thông tin với tốc độ rất cao...
👁️ 0 | 🔗 | 💖 | ✨ | 🌍 | ⌚
**Điện tử học spin** (tiếng Anh: _spintronics_) là một ngành đa lĩnh vực mà mục tiêu chính là thao tác và điều khiển các bậc tự do của spin trong các hệ chất rắn. Nói
**Spin** là một đại lượng vật lý, có bản chất của mô men động lượng và là một khái niệm thuần túy lượng tử, không có sự tương ứng trong cơ học cổ điển. Trong
Nam châm vĩnh cửu, một trong những sản phẩm lâu đời nhất của từ học. **Từ học** (tiếng Anh: _magnetism_) là một ngành khoa học thuộc Vật lý học nghiên cứu về hiện tượng hút
Hiệu ứng từ điện trở lớn trong các màng đa lớp Fe/Cr (Fert et al.) **Từ điện trở**, hay còn gọi tắt là **từ trở**, là tính chất của một số vật liệu, có thể
Mô hình [[từ điện trở khổng lồ|hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các spin valve]] **Spin valve** (chưa có tên gọi riêng trong tiếng Việt) là một linh kiện từ tính cấu tạo
Sơ đồ nguyên lý của SEMPA **_SEMPA_**, là tên viết tắt của **_Scanning electron microscope with polarisation analysis_** (_Kính hiển vi điện tử quét có phân tích phân cực_) là kỹ thuật chụp ảnh cấu
thumb|Hệ thống cơ điện tử **Cơ điện tử** hay **Kỹ thuật cơ điện tử** là một nhánh kỹ thuật liên ngành chú trọng vào các ngành kỹ thuật điện tử và kỹ thuật cơ khí,
_Spin torque transfer_ (chưa có thuật ngữ tiếng Việt chính xác, có thể tạm dịch đơn giản là _Sự truyền mômen spin_) là một hiệu ứng vật lý mô tả sự truyền mômen động lượng
**Hiệu ứng Hall spin** là một hiệu ứng được dự đoán bởi nhà vật lý người Nga Mikhail I.Dyakonov và Vladimir I.Perel vào năm 1971. Nó miêu tả sự xuất hiện của sự tích tụ
**_Độ phân cực spin_** (tiếng Anh: _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. Trên thực tế, khái
**Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ** (tiếng Anh: **_Giant magnetoresistance_**, viết tắt là **_GMR_**) là sự thay đổi lớn của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài.
Nguyên lý của MRAM: thông tin được lưu trong [[độ từ hóa|từ độ của các lớp sắt từ, sự đảo thông tin tương ứng với sự thay đổi điện trở do hiệu ứng từ điện
**_Sóng spin_** (tiếng Anh: _Spin wave_) là một mô hình trong từ học, được dùng để miêu tả những nhiễu loạn lan truyên trong trật tự spin của các vật liệu từ. Những kích thích
**Từ điện trở chui hầm** hay **Từ điện trở xuyên hầm**, (tiếng Anh: **_Tunnelling magnetoresistance_**, thường viết tắt là **_TMR_**) là một hiệu ứng từ điện trở xảy ra trong các màng mỏng đa lớp
Từ trường của một thanh [[nam châm hình trụ.]] **Từ trường** là môi trường năng lượng đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc
**Kính hiển vi điện tử quét** (tiếng Anh: **_scanning electron microscope_**, thường viết tắt là _SEM_), là một loại kính hiển vi điện tử có thể tạo ra ảnh với độ phân giải cao của
thumb|[[Điện trường của điện tích điểm dương và âm.]] **Điện tích** là một tính chất cơ bản và không đổi của một số hạt hạ nguyên tử (hạt sơ cấp), đặc trưng cho tương tác
**Từ điện trở dị hướng** (tiếng Anh: _Anisotropic magnetoresistance_, viết tắt là **AMR**) là một hiệu ứng từ điện trở mà ở đó tỉ số từ điện trở (sự thay đổi của điện trở suất
**Tĩnh từ học** là nghiên cứu về từ trường trong các hệ có các dòng điện ổn định (không thay đổi theo thời gian). Nó là từ tính tương tự của tĩnh điện, nơi có
[[Cấu trúc tinh thể của vật liệu gốm kiểu perovskite có khả năng cho hiệu ứng CMR]]**Từ điện trở siêu khổng lồ** (tiếng Anh: **_Colossal magnetoresistance_**, viết tắt là **_CMR_**) là một hiệu ứng từ
**Vật lý vật chất ngưng tụ** là một trong các nhánh của vật lý học nghiên cứu các tính chất vật lý trong pha ngưng tụ của vật chất. Các nhà vật lý vật chất
**_Far Cry_** là một tựa game bắn súng góc nhìn người thứ nhất được phát triển bởi Crytek và phát hành bởi Ubisoft vào ngày 23/3/2004 trên hệ điều hành Microsoft Windows. Tựa game là
**Hiệu ứng Hall lượng tử** (tiếng Anh: _quantum Hall effect_) được phát hiện vào năm 1980 bởi Klaus von Klitzing và cộng sự. Hai năm sau, **hiệu ứng Hall lượng tử phân số** cũng được
**Electron** hay **điện tử**, là một hạt hạ nguyên tử, có ký hiệu là hay , mà điện tích của nó bằng trừ một điện tích cơ bản. Các electron thuộc về thế hệ thứ
phải|nhỏ|200x200px|Mô phỏng một nguyên tử hydro cho thấy đường kính bằng xấp xỉ hai lần bán kính [[mô hình Bohr. (Ảnh mang tính minh họa)]] Một **nguyên tử hydro** là một nguyên tử của nguyên
Một ví dụ tính toán sử dụng năng lượng vi từ học, một hình vuông [[permalloy cạnh 600 nm, dày 20 nm. Các dạng năng lượng chủ yếu chi phối trường hợp này là năng
Ảnh cấu trúc đômen của màng mỏng [[permalloy chụp trên kính hiển vi điện tử truyền qua Philips CM20 ở chế độ Fresnel, cho tương phản về các vách đômen 90o và các gợn sóng.]]
Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ, gồm 2 phân mạng spin đối song và bằng nhau **Phản sắt từ** là nhóm các vật liệu từ có trật tự từ mà trong cấu
Moment từ **Mômen từ**, hay **mômen lưỡng cực từ** (magnetic dipole moment) là đại lượng vật lý, đặc trưng cho độ mạnh yếu của nguồn từ. Trong trường hợp đơn giản là một dòng điện
Cơ chế hiện tượng từ giảo do tương tác [[spin-quỹ đạo và sự phân bố đám mây điện tử: a) dạng đối xứng cầu: không có từ giảo; b) không có đối xứng cầu: có
Nguyên lý của bộ nhớ racetrack: thông tin được mã hóa bởi các [[vách đômen từ được tạo ra từ nguồn tạo vách đômen và điều khiển chạy liên tục trong các dây nano theo
Đường cong từ trễ - Đặc trưng quan trọng nhất của chất sắt từ **Sắt từ** là các chất có từ tính mạnh, hay khả năng hưởng ứng mạnh dưới tác dụng của từ trường
**Dị hướng từ tinh thể** là dạng năng lượng trong các vật có từ tính có nguồn gốc liên quan đến tính đối xứng tinh thể và sự định hướng của mômen từ. Trong tinh
Trong vật lý hạt, **điện động lực học lượng tử** (**QED**) là lý thuyết trường lượng tử tương đối tính của điện động lực học. Về cơ bản, nó miêu tả cách ánh sáng và
Trong vật lý lý thuyết, **Lý thuyết trường lượng tử** (tiếng Anh: **quantum field theory**, thường viết tắt QFT) là một khuôn khổ lý thuyết để xây dựng các mô hình cơ học lượng tử
Một [[nam châm lơ lửng trên mặt một vật liệu siêu dẫn nhúng trong nitơ lỏng lạnh tới −200 °C,thể hiện hiệu ứng Meissner ]] **Siêu dẫn** là một hiện tượng vật lí xảy ra đối
**Máy đo từ proton** (Proton Magnetometer), còn gọi là _Máy đo từ Tuế sai Proton_ (Proton Precession Magnetometer) hay _Máy đo từ Cộng hưởng từ Hạt nhân_, là **máy đo từ** hoạt động dựa trên
**Từ tính** (tiếng Anh: _magnetic property_) là một tính chất của vật liệu hưởng ứng dưới sự tác động của một từ trường. Từ tính có nguồn gốc từ lực từ, lực này luôn đi
Các chất **nghịch từ** là các chất không có mômen từ (tổng vecto từ quỹ đạo và từ spin của toàn bộ điện tử bằng 0). Khi đặt vào từ trường ngoài trong các phân
Mô hình về cấu trúc [[mômen lưỡng cực từ|mômen từ của chất thuận từ: hệ mômen từ của chất thuận từ được xem như các nam châm nhỏ, độc lập, không tương tác.]] **Thuận từ**
thumb|Thí nghiệm Stern–Gerlach: các [[nguyên tử Bạc bay qua một từ trường không đồng đều và bị lệch hướng lên hoặc xuống phụ thuộc vào spin của chúng.]] **Thí nghiệm Stern–Gerlach** chỉ ra rằng hướng
**Photon** hay **quang tử** (, phōs, ánh sáng; tiếng Việt đọc là _phô tông_ hay _phô tôn_) là một loại hạt cơ bản, đồng thời là hạt lượng tử của trường điện từ và ánh
thumb|upright=1.3|Các [[hàm sóng của electron trong một nguyên tử hydro tại các mức năng lượng khác nhau. Cơ học lượng tử không dự đoán chính xác vị trí của một hạt trong không gian, nó
nhỏ|Quang phổ của một ngọn [[lửa, cho thấy ba vạch chính, đặc trưng cho thành phần hóa học của các chất trong ngọn lửa.]] **Quang phổ học** hay **Phổ học** là ngành nghiên cứu về
thumb|Các bản OLED thử nghiệm thumb|Tivi sử dụng OLED **Diode phát sáng hữu cơ** (tiếng Anh là **_organic light-emitting diode**,_ viết tắt là _**OLED**)_, là một loại _Diode phát sáng_ (LED) trong đó lớp phát
|} **Nguyên tử** là đơn vị cơ bản của vật chất chứa một hạt nhân ở trung tâm bao quanh bởi đám mây điện tích âm các electron (âm điện tử). Hạt nhân nguyên tử
**Cộng hưởng từ hạt nhân** (viết tắt **NMR**-_Nuclear Magnetic Resonance_) là hiện tượng một hạt nhân nguyên tử nằm trong từ trường hấp thu hoặc phát xạ một bức xạ điện từ. Cộng hưởng từ
phải|nhỏ|200x200px| Một [[electron và positron quay quanh trung tâm khối lượng chung của chúng.. Đây là một trạng thái lượng tử ràng buộc được gọi là **positronic**. ]] **Positronic** (**Ps**) là một hệ thống bao
phải|nhỏ|350x350px|[[Electron nguyên tử và các orbital phân tử. Biểu đồ orbital (trái) được sắp xếp theo mức năng lượng tăng dần (xem quy tắc Madelung). Lưu ý rằng các orbital nguyên tử là hàm của
**Cộng hưởng sắt từ** (tiếng Anh: Ferromagnetic resonance, viết tắt: FMR), là một kỹ thuật quang phổ để thăm dò từ hóa của vật liệu sắt từ. Nó là một công cụ tiêu chuẩn để