Từ điện tử học truyền thống đến điện tử học spin
Ðỉnh cao phát triển của các linh kiện truyền thống là các transitor hoặc các mạch tích hợp chế tạo bằng vật liệu bán dẫn với các mạch logic biểu diễn dữ liệu bằng các trạng thái nhị phân "1" và "0" tương ứng với trạng thái "có" hoặc "không có" điện tích. Trong khi đó việc lưu giữ thông tin lại được thực hiện nhờ thuộc tính spin của điện tử trong các đĩa cứng và đĩa mềm chế tạo bằng vật liệu từ. Ðiều đó có nghĩa là điện tích và spin của điện tử đã được sử dụng riêng rẽ trong các linh kiện khác nhau. Nếu quan tâm một cách đồng thời cả thuộc tính điện tích và spin của điện tử thì có thể thấy rằng, khi điện tử chuyển động, đồng thời với quá trình thu nhận và xử lý tín hiệu truyền thống, nhờ vào hai trạng thái spin thuận và spin nghịch của mình mà spin của điện tử cũng có thể cho ta một kiểu mạch logic hai trạng thái "1" và "0" mới. Do vậy, spin của điện tử cũng có thể tham gia vào quá trình vận chuyển thông tin, cũng có thể làm biến đổi điện trở, điện thế,... của các vật liệu và cấu trúc có từ tính. Quá trình chuyển tải thông tin dựa trên trạng thái spin này tạo ra một kiểu kỹ thuật điện tử mới gọi là kỹ thuật điện tử - spin hoặc điện tử học spin (spin electronics hoặc spintronics). Ðiện tử học spin nghiên cứu khả năng sử dụng đồng thời cả hai thuộc tính điện tích và spin của điện tử trong cùng một linh kiện, thực hiện cả hai quá trình xử lý và lưu giữ thông tin trên cùng một khối cơ bản trong các mạch tích hợp và phát triển các chức năng mới vốn không thể tồn tại trong các linh kiện bán dẫn và linh kiện từ tính truyền thống.
Các linh kiện của điện tử học spin
Ðiện tử học spin khởi nguồn từ phát minh hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ (Giant MagnetoResistance - GMR effects) vào năm 1988 của hai nhóm vật lý người Pháp và người Ðức do An-be Phớt và Pi-tơ Grun-béc đứng đầu trong các hệ màng mỏng gồm các lớp kim loại sắt từ và kim loại không từ có độ dày cỡ na-nô mét xếp xen kẽ nhau. Chính phát minh này đã cho phép hiện thực hóa khả năng phát triển các linh kiện điện tử dựa vào spin của điện tử và chế tạo các linh kiện điện tử bằng kim loại thay cho các linh kiện điện tử bằng bán dẫn truyền thống. Từ phát minh này và các kết quả nghiên cứu phát triển về hiệu ứng từ - điện trở xuyên ngầm (tunneling magnetoresistive -TMR effects), điện tử học spin đang mở ra cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ tư của loài người. Với tầm quan trọng đó, phát minh của An-be Phớt và Pi-tơ Grun-béc đã giành Giải Nô-ben Vật lý 2007.
Trong 20 năm vừa qua, các linh kiện kim loại của điện tử học spin đã nhanh chóng phát triển qua ba thế hệ. Thế hệ thứ nhất gồm các linh kiện dựa trên các hiệu ứng GMR, TMR, thí dụ như các cảm biến, đầu đọc trong các đĩa cứng, các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (MRAM), các transitor kim loại (hay transitor lưỡng cực), transitor trường spin (spin FET), transitor van-spin,... Thế hệ thứ hai gồm các linh kiện hoạt động dựa trên việc bơm dòng spin phân cực qua tiếp xúc dị thể bán dẫn sắt từ. Ðó là các mạch khóa siêu nhanh, các bộ vi xử lý spin và mạch logic lập trình được,... Thế hệ thứ ba là các linh kiện sử dụng các cấu trúc na-nô dạng chấm lượng tử, dây và sợi na-nô 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),...
Các linh kiện điện tử spin có rất nhiều ưu điểm. Trước hết, chúng tiêu thụ ít năng lượng hơn và thao tác nhanh hơn vì trong các linh kiện điện tử spin việc đảo trạng thái chỉ dựa trên việc đổi định hướng spin chứ không cần dịch chuyển điện tích. Thứ hai, spin hầu như không liên kết với điện trường nên tránh được nhiễu của điện tích.
Một số linh kiện điển hình của thế hệ linh kiện điện tử spin đầu tiên như đầu đọc, đầu ghi trong các ổ cứng tốc độ cao, phím bấm không tiếp xúc, động cơ không chổi than, giải mã vạch, đếm tốc độ, máy trợ thính,... đã được chế tạo và đưa vào sử dụng ở mức độ thương phẩm từ cuối thế kỷ 20. Các bộ nhớ MRAM không tự xóa đã có sản phẩm thương mại và đang bắt đầu chiếm lĩnh thị trường.
Thách thức và cơ hội mới của điện tử học spin
Ðiện tử học spin liên quan đến quá trình điều khiển các trạng thái spin. Cho đến nay, quá trình điều khiển này chủ yếu được thực hiện nhờ từ trường. Với xu thế phát triển của công nghệ na-nô, các linh kiện điện tử spin có kích thước ngày càng nhỏ hơn và mức độ tích hợp ngày càng cao hơn. Khi đó, kỹ thuật điều khiển trạng thái spin cần từ trường lớn hơn, đồng thời từ trường điều khiển trạng thái spin cho một vị trí xác định dễ làm ảnh hưởng đến trạng thái spin của các vị trí lân cận, dẫn đến sai lệch và nhiễu cũng tăng lên. Ðây là các hạn chế đối với sự phát triển công nghệ lưu giữ thông tin trong tương lai. Hiện nay, các bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên MRAM được sử dụng chủ yếu dựa trên hiệu ứng từ - điện trở được thực hiện thông qua trạng thái "1" và "0" tương ứng với trạng thái điện trở cao và thấp phụ thuộc vào cấu hình phản song song hay song song của các spin giữa các lớp sắt từ. Ðối với các MRAM này, quá trình ghi thông tin hoạt động nhờ dòng xung đồng bộ để tạo ra một từ trường tại ô nhớ đang xem xét. Tùy theo chiều của dòng điện, hướng của spin và trạng thái điện trở của ô nhớ sẽ được xác định. Khi đọc dữ liệu, một dòng xung công suất thấp sẽ đi vào địa chỉ ô nhớ được chọn, điện trở của ô nhớ được xác định bằng thế hiệu tương ứng. Nguyên lý hoạt động như vậy đã được sử dụng rất hiệu quả trong thế hệ MRAM đầu tiên. Tuy nhiên, khi kích thước ô nhớ giảm xuống dưới 100 nm sẽ gặp phải một số hạn chế như đã nêu ở trên.
Ðể giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đang cố gắng tìm ra một cơ chế ghi từ mới thay thế quá trình điều khiển spin bằng từ trường bởi khả năng điều khiển spin bằng điện trường. Dựa trên nguyên lý điều khiển này, thế hệ lưu trữ thông tin mới với tên gọi MERAM (Magneto-Electric Random Access Memories) đang rất hứa hẹn. Ý tưởng này đang được triển khai dựa trên hiệu ứng từ - điện của các vật liệu lưỡng tính sắt từ - sắt điện (hay còn gọi là vật liệu multiferroics). Khác với các cơ chế đảo từ truyền thống, nhờ liên kết từ - điện giữa các pha sắt từ và sắt điện trong cùng một vật liệu mà quá trình thay đổi định hướng spin có thể được thực hiện dưới tác dụng của điện trường ngoài. Bằng cách tổ hợp đồng thời cả hai hiệu ứng từ - điện trở khổng lồ trong các cấu trúc GMR đã mô tả ở trên với hiệu ứng từ - điện của vật liệu multiferroics, hai nhà khoa học Pháp M.Bi-bê và A.Ba-tê-lê-mi vừa đề xuất ý tưởng của mình cho bộ nhớ MERAM.
Tháng 9-2008, các nhà khoa học của Trường đại học Tô-hô-ku (Nhật Bản) đã công bố nghiên cứu thành công khả năng đảo spin bằng điện trường đối với các chất bán dẫn sắt từ (Ga,Mn)As. Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu này chỉ mới xảy ra ở nhiệt độ thấp. Ở Việt Nam ta, hiệu ứng từ - điện trở đã có nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm và thu được một số kết quả tốt trong nhiều năm qua. Kết hợp hiệu ứng đó với hiệu ứng áp điện, nhóm nghiên cứu của Trường đại học Công nghệ (Ðại học Quốc gia Hà Nội) đang tiếp cận đến các nguyên lý của các bộ nhớ MERAM dựa trên cấu trúc tổ hợp PZT/GMR ở nhiệt độ phòng. Các kết quả bước đầu này đã góp phần đưa nhóm nghiên cứu của Việt Nam gia nhập tốp đi tiên phong của thế giới trong lĩnh vực này.
