Công nghệ Spin vẫy gọi

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

58
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo chuyên đề vật lý học giải thích các hiện tượng tự nhiên và giúp các bạn mở rộng kiến thức vật lý học của bản thân

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ Spin vẫy gọi

Công ngh spin v y g i Tony Bland, Kiyoung Lee, Stephen Steinmüller Các d ng c vi i n t khai thác spin c a electron cũng như i n tích c a nó h a h n làm cách m ng hóa n n công nghi p i n t . Thách th c, như Tony Bland, Kiyoung Lee và Stephan Steinmüller mô t , là tìm m t phương pháp tích h p các ch t bán d n vào các m ch “công ngh spin” như th . Cách ây 80 năm, các nhà v t lí lí thuy t ã g p m t v n : h thi u m t s mô t toán h c c a các h t cơ b n phù h p v i các nguyên lí c a thuy t tương i c bi t c a Einstein l n lí thuy t cơ h c lư ng t v a m i hình thành. Năm 1927, Erwin Schrödinger ã vi t ra phương trình cơ lư ng t c a chuy n ng cho electron, nhưng phương trình này không k n th c t các electron là nh ng h t tương i tính. Băn khoăn trư c tình c nh này, Paul Dirac ã i tìm m t l i gi i. Bác sĩ spin. Pha t p gallium arsenide v i các nguyên t mangan mang l i cho ch t bán d n các tính ch t s t t , nh ó cho phép s d ng nó làm d ng c bơm spin. 11 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Phương trình Dirac thu ư c vào năm sau ó là m t thành t u toán h c, nó tiên oán hai hi n tư ng t nhiên hoàn toàn không ng trư c. Th nh t là s t n t i c a các ph n h t, chúng ư c ch ng minh vào năm 1932 v i s khám phá ra positron (ph n electron). Th hai là electron ph i có m t xung lư ng góc n i t i hay “spin” ch có hai nh hư ng kh dĩ trong m t t trư ng ngoài: s p th ng hàng v i trư ng, hay “up”; và s p ngư c l i, hay “down”. Electron n m tâm i m c a cu c cách m ng vi i n t h c, nơi nó ch y loanh quanh như con thoi trong các ch t bán d n (thư ng là silicon) cho phép transistor và nh ng d ng c khác như th ho t ng. Nhưng nh ng d ng c này – chúng là cơ s cho m i th t lò vi sóng cho n nh ng con tàu thăm dò vũ tr - ch khai thác i n tích c a electron, trong khi ã 70 năm sau khám phá mang tính t phá n n t ng c a Dirac, spin c a electron v n b ph n l n b qua b i n n công nghi p d ng c và bán d n. M t nguyên nhân cho i u này là s thành công phi thư ng c a các d ng c thu nh . Trong vòng 40 năm, s transistor trên ơn v di n tích có th kh c axit lên m t con chip silicon – y u t , ví d , chi ph i công su t x lí c a máy tính – ã tăng lên g p ôi m i 18 tháng m t l n, m t xu hư ng ư c g i là nh lu t Moore. Nhưng ngày nay chúng ta ang nhanh chóng ti n t i gi i h n c a m c nh và g n mà nh ng transistor này có th nh i nhét trư c khi nhi t do chúng th i ra không tiêu tán nhanh, hay các hi u ng cơ lư ng t không mong mu n ngăn c n chúng th c hi n vai trò m t cách chính xác. N u như nh lu t Moore ti p di n, chúng ta c n ph i tìm m t th thay th cho vi i n t h c truy n th ng – ó là th i kì khai thác spin c a electron trong các d ng c bán d n. Trong khi các d ng c i n t truy n th ng ch d a trên vi c i u khi n dòng i n tích, thì m t d ng c thu c “công ngh spin” còn i u khi n dòng spin electron (cái g i là dòng i n spin) bên trong d ng c , nh ó có thêm m t t do n a. Vì spin c a m t electron có th chuy n t m t tr ng thái này sang tr ng thái khác nhanh hơn nhi u so v i i n tích có th di chuy n xung quanh m t m ch i n, nên các d ng c công ngh spin ư c ngư i ta trông i ho t ng nhanh hơn và s n ra ít nhi t hơn các linh ki n vi i n t truy n th ng. M t trong các m c tiêu t i h u là ch t o m t transistor trên n n spin thay th cho các transistor truy n th ng trong các m ch logic tích h p và các d ng c nh , vì th cho phép khuynh hư ng thu nh ti p di n. Tuy nhiên, công ngh spin cũng m ra cánh c a i t i nh ng lo i d ng c hoàn toàn m i, ví d như iôt phát quang (LED) phát ra ánh sáng phân c c tròn trái ho c ph i dùng cho truy n thông mã hóa (xem hình Các d ng c trên n n spin). Nhìn xa hơn t i tương lai, các d ng c công ngh spin có th còn ư c s d ng làm các bit lư ng t , ơn v thông tin do máy tính lư ng t x lí. Tuy nhiên, cu c cách m ng công ngh spin x y ra, các nhà nghiên c u c n tìm m t phương pháp bơm, i u khi n và phát hi n spin c a electron trong ch t bán d n, vì nh ng ch t này có kh năng v n là tr ng tâm i v i n n v t lí d ng c trong tương lai trư c m t. Vi c i u khi n spin trên lí thuy t thì tương i d , nhưng vi c bơm và phát hi n spin dư i nh ng i u ki n th c t là s thách th c l n. 12 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Các d ng c trên n n spin. M c tiêu c a các d ng c công ngh spin là khai thác spin cũng như i n tích c a các electron truy n qua chúng. iôt phát quang spin (spn-LED, hình trên cùng bên trái), ch ng h n, trong ó các electron phân c c spin ư c bơm t m t l p s t t (màu xanh) vào m t c u trúc bán d n (màu cam) tái k t h p v i các l tr ng trong vùng ho t tính (màu vàng) t o ra ánh sáng phân c c tròn (màu h ng, trong ó mũi tên ch hư ng phân c c) ã ư c ch ng minh trong phòng thí nghi m và có th có ích cho truy n thông mã hóa. Tuy nhiên, có th vài ba năm n a thì d ng c h u d ng tr c ti p nh t như th - m t transistor trên n n spin – m i ư c ch t o. Trong m t transistor spin m n bên (hình trên bên ph i), các electron phân c c spin ư c bơm t m t ngu n s t t vào m t kênh bán d n h p (màu vàng) trong ó các spin electron ch có th chuy n ng trong hai chi u. ây, spin có th chuy n gi a up và down b ng m t t trư ng t vào hay m t c ng i n th , do ó xác nh dòng spin ra trong ch t “thu” s t t . M t cách ti p c n khác là transistor spin ơn electron (hình dư i bên trái), trong ó m t ngu n s t t bơm m t electron phân c c vào m t c u trúc nano bán d n g i là ch m lư ng t , trong ó tr ng thái spin c a nó – và do ó là dòng i n ra c c thu s t t - ư c i u khi n b ng c ng i n th t vào. M t thi t k th ba cho transistor công ngh spin là transistor ư ng h m t (hình dư i bên ph i), trong ó các electron bơm vào ư c l cph thu c vào spin c a chúng khi chúng chui h m qua m t l p cách i n m ng (màu ), như x y ra trong ti p giáp ư ng h m t , trư c khi i qua hàng rào Schottky. Dòng i n ra trong ch t bán d n “collector” do ó có th i u khi n b ng cách thay i s th ng hàng spin c a các l p s t t “emitter” và “base”. Thành t u to l n Spin electron là m t món hàng l n n m ngoài n n công nghi p bán d n. Th t ra, các d ng c công ngh spin trên n n kim lo i có th tìm th y trên các ĩa c ng c a h u h t t ng máy vi tính trên hành tinh này. Năm 1988, Peter Grünberg t i Trung tâm Nghiên c u Jülich c, và Albert Fert t i i h c Paris-Sub Pháp, c l p v i nhau, ã khám phá ra r ng dòng electron phân c c spin gi a hai l p m ng kim lo i s t t cách nhau b i m t l p kim lo i phi t tính có th tăng lên kho ng 3% b ng cách thay i s th ng hàng t tương i c a các l p s t t i song sang song song – khám phá ã mang l i cho h gi i Nobel V t lí năm 2007. Hi u ng này – g i là t tr kh ng l (GMR) – làm cho có th ch t o các u c t c a ĩa c ng nh y hơn nhi u v i nh ng s thay i t trư ng, nâng cao dung lư ng lưu tr b i cho phép thông tin có th lưu tr trong nh ng vùng nh hơn nhi u trên m t ĩa. 13 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Ti p giáp chui h m t tính. Ti p giáp chui h m t tính, g m hai l p s t t (màu xanh) cách nhau b i m t l p i n môi (màu ), khai thác t tr chui h m (TMR) chuy n dòng spin ra gi a cao và th p. Như v y, d ng c có th s d ng làm b nh lưu tr thông tin c khi ngu n c p t t i. Khi s t hóa c a hai l p t tính là song song, các electron spin up có th chui h m qua rào ch n vì nhi u tr ng thái không b chi m gi có s n trong l p s t t th hai (hình trên). Tuy nhiên, khi hai l p là i song, các tr ng thái spin up không nhi u l i có s n, nên s chui h m b tri t tiêu (hình dư i). S chênh l ch dòng i n chui h m khi s th ng hàng spin c a các l p s t t chuy n gi a song song và i song ư c g i là t s TMR, và h u ích cho vi c ch t o nh ng d ng c th c t mà TMR kho ng 500% là c n thi t. K t năm 1995, khi TMR nhi t phòng ư c ch ng minh l n u tiên, các nhà nghiên c u ã thu ư c các giá tr TMR cao hơn nhi u b ng cách thay i ch t cách i n và m t ti p giáp c a nó. Kh năng v n chuy n spin electron gi a hai kim lo i còn làm cơ s cho b nh truy xu t ng u nhiên t tr l n (MRAM) – m t lo i m i l c a b nh máy tính có th v n gi thông tin mà không c n c p ngu n. MRAM ho t ng trên cơ s m t hi u ng gi ng v i GMR g i là t tr chui h m (TMR) phát sinh khi hai l p kim lo i s t t cách nhau b i m t l p m ng ch t cách i n, ví d như nhôm ôxit hay magiê ôxit. Thay vì các electron phân c c spin khu ch tán d n t l p s t t này sang l p kia như x y ra trong GMR, trong TMR chúng chui h m cơ lư ng t (m t quá trình b c m theo lí thuy t c i n, trong ó m t h t i qua m t hàng rào th cao hơn ng năng c a nó) qua l p rào – vì th nh ng d ng c này ư c g i là ti p giáp chui h m t tính (MTJ) (xem hình Ti p giáp chui h m t tính). Khi ó nguyên lí lo i tr Pauli phát huy tác d ng. S chui h m – và do ó s v n chuy n spin qua rào th - ch có th x y ra n u như các tr ng thái sóng tr ng không (t c là không b chi m gi ) v i cùng spin có s n phía bên kia rào th : k t qu là s chui h m ph thu c spin. 14 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
S chui h m ph thu c spin như th ư c ch ng minh nhi t th p vào năm 1975 b i Michel Jullière t i Vi n Khoa h c ng d ng qu c gia de Lyon Pháp. Nhưng mãi cho n năm 1995 thì Terunobu Miyazaki t i i h c Tohoku Nh t, và Jagadeesh Moodera t i Vi n Công ngh Massachusetts (MIT) Mĩ, m i c l p nhau ch ra r ng có th thu ư c TMR nhi t phòng. Th t áng ti c, s thay i dòng chui h m khi s th ng hàng spin c a các l p s t t chuy n gi a song song và i song – g i là t s TMR – ch 12-18% trong d ng c c a Miyazaki và c a Moodera, th p hơn nhi u giá tr c n thi t ch t o m t d ng c nh th c t . Tuy nhiên, nh m t chương trình nghiên c u ch o v t tr chui h m do Cơ quan nghiên c u tiên ti n B qu c phòng (DARPA) Mĩ, cũng như m t n l c nghiên c u công nghi p áng k , t s TMR cu i cùng ã tăng lên 70% vào cu i th p niên 1990. G n ây hơn, kh năng ch t o các m t phân gi i ph ng nguyên t gi a các l p kim lo i và ôxit ã cho phép nhóm c a Stuart Parkin t i Trung tâm Nghiên c u Almaden California, và Shinji Yuasa và các ng s t i AIST Nh t B n c l p nhau thu ư c các giá tr TMR kho ng 400% qua s chui h m k t h p. Các m ng MRAM thương m i trên n n TMR b t u có m t trên th trư ng, và nh ng d ng c này có th m t ngày nào ó ư c s d ng ch t o các máy tính cá nhân b t m ngay t c thì. TMR d a trên m t s lư ng l n electron v i tr ng thái spin mong mu n truy n qua m t phân gi i gi a các kim lo i s t t và ôxit kim lo i cách i n. Tuy nhiên, có kh năng s n xu t các d ng c công ngh spin bán d n, chúng ta ph i thu ư c hành vi như th qua m t phân gi i hình thành gi a m t ch t bán d n và m t ch t có th m nh n vai trò máy bơm spin hay máy dò. S c hút t tính Silicon và gallium arsenide là hai ch t bán d n ư c s d ng r ng rãi nh t, nên thách th c là vi c tìm các ch t phân c c spin – t c là các ch t trong ó a s spin electron s p th ng hàng theo m t hư ng nh t nh – có th k t h p v i chúng. ng c viên tri n v ng là “các ch t bán d n t loãng” (DMS) – các ch t bán d n, khi pha l n v i t p ch t, bi u hi n tính s t t . Năm 1999, hai nhóm nghiên c u c l p ã bơm các electron phân c c spin t m t ch t bán d n t tính vào gallium arsenide. Laurens Molenkamp và các ng s t i i h c Würzburg, c, duy trì ư c s phân c c 90% trong quá trình bơm spin t m t ch t bán d n phân c c spin vào m t c u trúc gallium arsenide nhi t th p, m c dù ch t bơm bán d n c n m t t trư ng ngoài duy trì s phân c c c a nó. Nhóm c a Hideo Ohno Tohoku, Nh t B n, h p tác v i nhóm c a David Awschalom t i i h c California, Santa Barbara, m t khác, ã làm ch ư c kì công tương t t m t DMS “ ích th c” không òi h i m t t trư ng t vào, m c dù các nhà nghiên c u ch thu ư c s phân c c spin bơm vào kho ng 1%. Cùng v i nhau, hai thí nghi m này ch ng minh r ng có th bơm spin vào m t ch t bán d n; nh m phát tri n m t d ng c th c t , bư c ti p theo là tìm các ch t DMS cho phép bơm spin m nh nhi t phòng v i các trư ng t vào v a ph i (hay b ng không). Vào năm 2000, Thomas Dietl thu c Vi n Hàn lâm Khoa h c Ba Lan Warsaw ã th c hi n m t t phá quan tr ng theo khía c nh này. Ông ã ch ra r ng nhi t (Curie) cao nh t mà 15 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
tính s t t x y ra trong các ch t DMS nh t nh ph i tăng áng k khi pha t p chúng v i n ng tăng d n c a các nguyên t t tính, c bi t là mangan ho c côban. Tính toán c a ông d a trên m t quan i m ư c xu t l n u tiên b i nhà v t lí ngư i Mĩ Clarence Zener vào th p niên 1950, trong ó tương tác gi a mômen t c a các nguyên t t p ch t c nh và mômen t c a các l tr ng linh ng trong ch t bán d n có th làm cho các mômen s p th ng hàng gi ng như bên trong m t ch t s t t . Hơn n a, hi u ng này s áp o hi u ng không s p th ng hàng do nhi t cao gây ra. áng chú ý là các tính toán c a Dietl cho th y các ch t bán d n ư c s d ng ph bi n k m ôxit và gali nitride, v i s pha t p úng m c, s bi u hi n t t tính s t t trên nhi t phòng, t ó khơi mào m t n l c qu c t ch o nh m phát tri n các ch t DMS th c t (xem hình Tăng nhi t Curie). Tăng nhi t Curie. Các ch t bán d n t loãng, bi u hi n s phân c c spin khi pha t p v i nh ng nguyên t nh t nh, là ch t li u ng c viên tuy t v i cho vi c bơm các electron phân c c spin vào m t ch t bán d n. Tuy nhiên, h u ích trong th c t thì nhi t Curie c a các ch t này – nhi t mà trên ó hành vi s t t s không còn – ph i cao. M t s trong các ch t tri n v ng nh t là k m mangan ôxit (ZnMnO), côban ôxit pha t p titan và thi c (Co[Ti,Sn]O) và gali mangan nitride (GaMnN). Tuy nhiên, có m t s bàn cãi xung quanh nhi t Curie o ư c c a nh ng ch t này. H i năm 2001 và 2003, hai nhóm ã tiên oán nhi t Curie vào kho ng 600 K i v i côban ôxit pha t p titan ho c thi c, nhưng sau ó không h có s xác nh n th c nghi m có s c thuy t ph c nào h t. M t n l c áng k cũng ã ư c th c hi n nh m làm tăng nhi t Curie gali arsenide b ng cách pha t p nó v i mangan, nhưng giá tr cao nh t ư c báo cáo tính cho n nay – 250 K – b ưa vào vòng nghi v n vào m t phép phân tích l i s li u. C t màu xanh ch ra giá tr tiên oán c a Dietl, còn mũi tên màu tr ng cho bi u di n ph m vi giá tr th c nghi m i v i các n ng khác nhau. Tuy nhiên, vi c tìm m t ch t bi u hi n t t s phân c c spin trên nhi t phòng không ph i là thách th c duy nh t trong vi c phát tri n m t máy bơm spin th c t . Trư c h t, nó ph i có m t s phân c c l n có th bơm các electron phân c c spin vào trong ch t bán d n. Th hai, nó ph i có th i u khi n các tính ch t c a m t phân gi i hình thành khi ch t bơm l ng trên ch t bán d n ó. Trong khi phát tri n các ti p giáp ư ng h m t tính h i th p niên 1990, các nhà nghiên c u bi t r ng tính ch t c a m t vài l p nguyên t g n v i m t ti p giáp có nh hư ng quan tr ng lên hi u su t bơm spin. ây là vì nh ng lư ng r t nh c a s tr n l n hóa ch t gi a các l p 16 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
có th làm tán x các electron vào nh ng tr ng thái m i và do ó làm gi m căn b n lư ng electron khi n nó i qua m t phân gi i ng th i v n gi nguyên s phân c c. Th t khó i u khi n tính ch t c a các ch t DMS trong kh i ch t hình thành, và còn khó hơn n a khi ch t ó l ng trên m t màng m ng, như òi h i khi ch t o d ng c . Vi c thu ư c m t phân gi i rõ ràng gi a các ch t DMS và ch t bán d n, do ó, ưa ra m t th thách áng k cho các nhà nghiên c u c g ng ch t o các d ng c công ngh spin trên n n DMS. Gi c m ng chui h m Tuy nhiên, có m t s l a ch n và m t phương pháp khác v cơ b n thu ư c s bơm spin. Trong khi nhi u nhà nghiên c u t p trung vào các ch t DMS, thì nh ng ngư i khác gi i thích r ng n u các electron phân c c spin có th truy n qua m t phân gi i gi a m t ch t bán d n và m t kim lo i t tính, thì khi ó kim lo i ó có th s d ng làm b phân c c spin hi u qu cao. Hơn n a, vì m t phân gi i kim lo i ã ư c nghiên c u trong hàng th p k , nên th t là d hơn nhi u vi c i u khi n tính ch t m t phân gi i trong nh ng c u trúc d ng c như th . Vào cu i th p niên 1990, m t vài nhóm nghiên c u ã th bơm các electron phân c c spin t các kim lo i và h p kim t tính l ng tr c ti p lên gali arsenide, nhưng nh ng nghiên c u sơ khai này thu ư c s phân c c bơm ch vài ba ph n trăm. M t lu ng gió khác th i vào ý tư ng ó ã ư c th c hi n trong năm 2000, khi Georg Schmidt và các ng s t i i h c Würzburg s d ng m t mô hình ơn gi n c a m ng i n tr ch ra r ng s phân c c spin g n như 100% là c n thi t trong kim lo i t tính bơm s phân c c spin h u ích vào trong ch t bán d n. Nh ng s phân c c cao như th không th nào thu ư c trong th c t , nên trong m t th i gian ng n hình như các ch t bơm spin bán d n là phương pháp duy nh t ti p t c nghiên c u. Tuy nhiên, quan i m này chuy n hư ng h u như ngay l p t c, khi Emmanuel Rashba t i MIT nh n ra r ng vi c t o ra m t hàng rào chui h m gi a kim lo i t tính và ch t bán d n s gi i quy t ư c bài toán ó. Ông tiên oán r ng s phân c c spin trong kim lo i d n s b o toàn trong khi chui h m, và do ó máy bơm spin rào-ch n-kim-lo i-s t-t tương t như m t ti p giáp ư ng h m t tính. Sau bư c phát tri n này, m t n l c chung ã ư c th c hi n nh m nghiên c u s phân c c spin bơm vào trong c u trúc kim lo i s t t gali arsenide. Trong nh ng ch t như th , i n tích ư c phân b l i khi ti p giáp gi a kim lo i và ch t bán d n hình thành, t ó t o ra m t hàng rào chui h m “Schottky” t i m t phân gi i. Hóa ra lo i c u trúc này cũng ch ng minh cho khái ni m spin-LED (xem hình Bơm quang i n và phát hi n): khi m t electron phân c c ư c bơm t l p s t t vào ch t bán d n, nó tái k t h p v i m t l tr ng, mang l i s phát x ánh sáng phân c c tròn. (Trong LED truy n th ng, trái l i, các electron không phân c c và l tr ng k t h p nhau t o ra ánh sáng không phân c c) M t vài nhóm nghiên c u hi n ang th khai thác hi n tư ng này phát tri n m t d ng c spin-LED th c t . Tuy nhiên, vì s lư ng electron phân c c spin chui qua hàng rào ph thu c vào tính ch t c a nó, nên m t vài nhà nghiên c u ã th thay th hàng rào Schottky b ng m t l p cách i n m ng trong m t n l c nh m làm tăng tín hi u bơm spin trong các h bán d n kim lo i s t t . Năm 2003, Pol Van Dorpe và các ng s t i Trung tâm Vi i n t h c Liên trư ng i h c 17 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
(IMEC) Leuven, B , thu ư c s phân c c spin bơm vào ch trên 20% nhi t phòng v i l p cách i n nhôm ôxit. R i thì hai năm sau ó, nhóm c a Parkin t i IBM ch ra r ng vi c s d ng magiê ôxit làm ch t cách i n c i thi n hi u su t thêm n a, nhưng s phân c c bơm vào nh y c m cao v i c u trúc tinh th c a ch t làm hàng rào. Bơm quang i n và phát hi n. Nguyên t c ho t ng c a spin-LED có th ư c mô ph ng cho phép phát hi n spin – i u c n thi t cho các d ng c công ngh spin th c t . Trong m t spin-LED (hình trên), khi m t electron phân c c spin ư c bơm t l p s t t (màu xanh) vào trong ch t bán dân (màu cam và vàng) qua m t hàng rào Schottky (màu h ng), nó tái k t h p v i m t l tr ng (màu ) và trong quá trình ó phát ra m t photon phân c c tròn. M c phân c c tròn có th ư c s d ng ư c tính biên c a s phân c c spin bơm vào. Quá trình này cũng có th o ngư c l i b ng cách r i ánh sáng phân c c tròn lên c u trúc bán d n, làm phát sinh nhi u electron phân c c spin b kích thích bên trong ch t bán d n (hình dư i). Tùy thu c vào hư ng tương i c a s t hóa c a máy dò s t t so v i s phân c c photon, các electron quang-kích thích tr ng thái spin “up” (ho c “down” n u như s t hóa ngư c l i) có th chui h m qua hàng rào Schottky vào l p s t t , nơi chúng có th b phát hi n dư i d ng tín hi u i n. Trong khi ó, ti n b cũng ư c th c hi n trong m t thách th c l n khác òi h i ph i vư t qua ch t o m t d ng c công ngh spin: vi c phát hi n spin. M t phương pháp th c hi n vi c này là o ngư c quá trình cho phép spin-LED ho t ng (xem hình Bơm quang i n và phát hi n). Khi r i ánh sáng phân c c vào c u trúc lai kim lo i s t t - hàng rào Schottky – gali arsenide, nhi u electron phân c c spin ư c phát ra bên trong ch t gali arsenide (thông qua các quy lu t quang l c l a i v i ch t bán d n này). Nh ng electron này sau ó có th chui h m tr l i qua hàng rào Schottky vào kim lo i s t t , nơi chúng có th ư c phát hi n v m t i n, nên mang l i m t phương pháp phát hi n spin electron. Năm 2004, nhóm c a chúng tôi Cambridge ã s d ng m t c u trúc như th bi u hi n hi u ng này t o ra i n th ph thu c vào ph n trăm s electron trong kim lo i s t t b phân c c. K t ó, chúng tôi nh n th y r ng b ng cách thay th l p ơn kim lo i s t t b ng m t van kim lo i GMR (t c là hai l p m ng kim lo i s t t cách nhau b i m t l p m ng kim lo i phi t tính), thì dòng i n ch y vào kim lo i có th ư c xác nh tách bi t v i dòng i n ch y vào 18 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
ch t bán d n, vì van óng vai trò như m t c ng b t m dòng i n ch y vào kim lo i là on hay off theo s s p th ng hàng t tính c a các l p c a nó. S d ng van spin theo ki u này cho phép chúng ta nh lư ng hi u ng l c l a spin c a m t phân gi i; và do ó ư c tính phân c c c a dòng i n phát hi n ư c. Vn m t phân gi i Chúng ta ang vào th i i m 6 năm sau nh ng tiên oán c a Dielt r ng nhi t Curie c a các ch t DMS nh t nh ph i tăng áng k theo s pha t p s t t . Nhưng cho n nay v n chưa có ai tìm th y các ch t bán d n s t t thích h p ho t ng nhi t phòng và có th s d ng trong các d ng c công ngh spin bán d n th c t . Tuy nhiên, trong khi n l c phát tri n công ngh spin trên n n DMS ti p di n, thì s phát tri n n i b t c a công ngh ti p giáp ư ng h m t tính ã mang l i s thúc N to l n cho vi c s d ng kim lo i s t t k t h p v i ch t bán y d n. Trong khi các kim lo i chuy n ti p s t t không mang l i s phân c c spin 100%, thì i u này không c n thi t i v i các d ng c th c t : nh ng tiên oán lí thuy t xu t r ng b ng cách i u khi n c u trúc m t phân gi i và thành ph n, và s d ng nh ng hàng rào thích h p, các h kim lo i s t t tương lai có th mang l i s tăng ngo n m c s truy n spin trên các ch t bơm/phát hi n ã th t trư c n gi . S phát tri n thành công c a MTJ v a cho th y tính ch t c a m t vài l p nguyên t g n v i m t phân gi i có nh hư ng quan tr ng lên s truy n spin. Trong tương lai, s th t quan tr ng vi c i u khi n chính xác c u trúc c a các ch t dùng trong nh ng d ng c công ngh spin bán d n, b ng cách làm cho kh p s nh hư ng tinh th c a m t phân gi i v i s nh hư ng tinh th c a ch t bơm/phát hi n spin, và rõ ràng là có nhi u l trình m i y tri n v ng nghiên c u. Trong khi ngư i ta không th nói ch c ch ng nào thì i u này x y ra, nhưng trông r t có th là cu c cách m ng công ngh spin bán d n s ư c m u b ng nh ng d ng c s d ng các màng kim lo i chuy n ti p t tính tìm th y trong các d ng c MRAM và MTJ. Công ngh spin bán d n Ngoài đi n tích c a chúng, các electron còn có m t xung lư ng góc n i, hay spin, ch • có hai s đ nh hư ng kh dĩ trong m t t trư ng ngoài. Spin electron hi n nay đã đư c khai thác trong đĩa c ng máy vi tính và b nh truy • c p ng u nhiên t tr qua hi u ng t tr kh ng l và t tr chui h m x y ra trong các c u trúc kim lo i phân l p. Các d ng c bán d n khai thác spin cũng như đi n tích s ho t đ ng nhanh hơn các • d ng c vi đi n t truy n th ng và mang l i ch c năng m i. Thách th c ch y u trong vi c ch t o m t d ng c như th là vi c v n chuy n các • electron phân c c spin m t cách hi u qu đi vào và ra kh i vùng ch t bán d n c a d ng c đó. Hi n nay, các nhà nghiên c u đang đi theo hai phương pháp bơm và phát hi n spin: • các ch t bán d n t loãng l ng trên các ch t bán d n truy n th ng; và các kim lo i s t t l ng trên các ch t bán d n. 19 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Tài li u tham kh o 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 Tony Bland, Kiyoung Lee và Stephen Steinmüller, Phòng thí nghi m Cavendish, i h c Cambridge, Anh hiepkhachquay d ch Ngu n: The spintronics challenge (Physics World, tháng 1/2008) An Minh, ngày 12/01/2008, 13:58:14 20 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay