GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2007
Albert Fert
(1938-)
Peter Grunberg
(1939-)
Giải Nobel Vật lý năm 2007 được trao cho công dân Pháp Albert Fert tạiĐại
học Paris-Sud và Unité mixte de physique CNRS/ Thales (Orsay, Pháp) và công dân
Đức Peter Grunberg tại Viện nghiên cứu Vật lý chất rắn, Trung tâm Nghiên cứu
Julich (Đức) “do phát minh vềtừtrởkhổng lồ(GMR”.
Albert Fert sinh ngày 7 tháng 3 năm 1938 tại Carcassonne (Pháp). Fert đã
cưới vợvà có hai con. Ông tốt nghiệp ngành Toán học và ngành Vật lý tạiĐại học
Sưphạm Paris năm 1962. Ông bảo vệluận án tiến sĩvật lý năm 1970 tạiĐại học
Paris-Sud (Orsay, Pháp) và trởthành giáo sưtại trường đại học này từnăm 1976.
Ông là trưởng nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Đại học
Paris-Sud từnăm 1970 đến năm 1995 và giám đốc khoa học của Unité mixte de
physique CNRS/ Thales (Orsay, Pháp) từnăm 1995. Ông phát hiện ra hiệuứng từ
trởkhổng lồnăm 1988. Lĩnh vực nghiên cứu chính của ông là vật lý chất ngưng tụ
(kim loại, từ, cấu trúc nano, điện tửhọc spin). Ông đã công bốkhoảng 270 công
trình. Fert đã được trao tặng Giải thưởng Quốc tếvềcác vật liệu mới (1994) của
Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng nghiên cứu từ(1994) của Hiệp hội Vật lý thuần túy và
ứng dụng Quốc tế, Giải thưởng lớn Jean Ricard vềvật lý (1994) của Hội Vật lý Pháp,
Giải thưởng Vật lý châu Âu Hewlett-Packard (1997) của Hội Vật lý châu Âu, Huy
chương Vàng (2003) của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp, Giải
thưởng Nhật Bản (2007) của Liên đoàn Khoa học và Công nghệNhật Bản, Giải
thưởng Vật lý của Liên đoàn Wolf (2007) và Giải thưởng Nobel Vật lý (2007).
Peter Grunberg sinh ngày 18 tháng 5 năm 1939 tại Pilsen (bây giờthuộc
Czech). Grunberg đã cưới vợtên là Helma Prausa và có ba con tên là Andreas (sinh
năm 1973), Sylvia (sinh năm 1974) và Katharina (sinh năm 1981). Ông học Vật lý
tạiĐại học Johann Wolgang ởFranfurt (Main) từnăm 1959 đến năm 1963 và Đại
học Công nghệDarmstadt từnăm 1963 đến năm 1969. Ông bảo vệluận án tiến sĩ
vật lý năm 1969 tạiĐại học Công nghệDarmstadt (Đức). Ông là nhà khoa học
nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Vật lý chất r ắn, Trung tâm Nghiên cứu Julich (Đức)
từnăm 1972. Từnăm 1969 đến năm 1972, ông là thực tập sinh sau tiến sĩtạiĐại
học Carleton(Ottawa, Canada). Grunberg giảng dạy tạiĐại học Cologne (1984) và
là giáo sưtại trường này (1992). Ông đã nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia
Argonne (1984-1985), Đại học Sendai và Trung tâm nghiên cứu Tsukuba ởNhật
Bản (1998). Ông nghỉhưu từTrung tâm nghiên cứu Julich vào năm 2004 sau 32
năm làm việc tạiđó nhưng vẫn tiếp tục làm việc. Grunberg đã được trao tặng Giải
thưởng Quốc tếvềcác vật liệu mới (1994) của Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng nghiên
cứu từ(1994) của Hiệp hội Vật lý thuần túy và ứng dụng Quốc tế, Giải thưởng
Công nghệ(1996) của Hiệp hội của những người bạn và nhà hảo tâm của Trung
tâm Nghiên cứu Julich, Giải thưởng Vật lý châu Âu Hewlett-Packard (1997) của Hội
Vật lý châu Âu, Giải thưởng Tương lai Đức (1998) của Tổng thống Cộng hoà Liên
bang Đức, Giải thưởng Manfred von Ardenne vềvật lý ứng dụng (2004) của Hội
Màng mỏng châu Âu, danh hiệu “Nhà phát minh châu Âu của năm”(2006) củaỦy
ban châu Âu và Văn phòng sáng chếchâu Âu, Huy chương Stern Gerlach (2007)
của Hội Vật lý Đức, Giải thưởng Nhật Bản (2007) của Liên đoàn Khoa học và Công
nghệNhật Bản, Giải thưởng Vật lý của Liên đoàn Wolf (2007) và Giải thưởng Nobel
Vật lý (2007).
Giải Nobel Vật lý năm 2007 được trao tặng cho công nghệsửdụng để đọc
dữliệu trên các đĩa cứng. Nhờcông nghệnày, hiện nay người ta có thểthu nhỏcác
đĩa cứng. Cần có các đầuđọc nhạyđể đọc dữliệu từcác đĩa cứng compăc chẳng
hạn nhưtrong các máy tính và một sốmáy nghe nhạc.
Năm 1988 Albert Fert và Peter Grunberg độc lập với nhau cùng phát hiện ra
một hiệuứng vật lý hoàn toàn mới gọi là từtrởkhổng lồ(GMR). Những thay đổi từ
rất yếu sinh ra những khác biệt chủyếu về điện trởtrong một hệGMR. Loại hệnày
là công cụlý tưởng để đọc dữliệu từcác đĩa cứng khi thông tin ghi lại bằng từ
được chuyểnđổi thành dòng điện. Các nhà nghiên cứu và kỹsưsớmứng dụng hiệu
ứng từtrởkhổng lồtrong các đầuđọc. Năm 1997 đầuđọcđầu tiên trên cơsởhiệu
ứng GMR ra đời và điềuđó sớm trởthành công nghệtiêu chuẩn. Thậm chí các kỹ
thuậtđọc mới nhất hiện nay đều là những phát triển tiếp theo của GMR.
Mộtđĩa cứng lưu trữthông tin chẳng hạn nhưâm nhạc dưới dạng của các
vùng nhỏvi mô bịtừhóa theo các hướng khác nhau. Một hướng từhóa nào đó
tương ứng với giá trịnhịphân của 0 và hướng khác tương ứng với giá trịnhịphân
của 1. Có thểtìm lại thông tin nhờmộtđầuđọc mà nó quét đĩa và ghi những thay
đổi từ(những trường từhóa khác nhau). Đĩa cứng càng nhỏvà càng compăc thì
những vùng từriêng càng nhỏvà càng yếu. Điềuđó có nghĩa là từtrường của mỗi
một byte trởnên yếu hơn và khó đọc. Do đó, nếu thông tin cầnđược xếp chặt hơn
trên mộtđĩa cứng thì cần có các đầuđọc nhạy hơn. Vào cuối những năm 1990, một
công nghệhoàn toàn mới trởthành một công nghệchuẩn trong các đầuđọc của
các đĩa cứng. Công nghệnày đóng vai trò quyếtđịnh cho việc thúc đẩy hướng thu
nhỏ đĩa cứng. Công nghệ đầuđọc hiện nay dựa trên hiệuứng vật lý GMR. Mộtđầu
đọc trên cơsởhiệuứng GMR có thểchuyểnđổi những thay đổi từrất nhỏthành
những khác biệtđiện trởvà do đó thành những thay đổi dòng điện do đầuđọc
phát ra. Dòng điện là tín hiệu từ đầuđọc và những dòng điện khác nhau biểu diễn
các số1 và 0.
Lúc đầu, khi sửdụng các cuộn cảm trong các đầuđọc, người ta phát hiện
thấy rằng một từtrường thay đổi cảmứng một dòng điện qua cuộn dây. Mặc dù
công nghệnày không thểtheo kịp những đòi hỏi của các đĩa cứng thu nhỏ, các
cuộn cảm còn được sửdụng để ghi thông tin lên trên đĩa. Tuy nhiên, đối với chức
năng đọc, từtrởsớmđược chứng minh là thích hợp hơn.
Từlâu chúng ta biết rằng trởkháng của các vật liệu nhưsắt có thểbị ảnh
hưởng bởi một từtrường. Hiện tượng từtrở(MR) là sựthay đổi trởkháng của một
vật dẫn khi nó đượcđặt trong một từtrường ngoài. Đối với các chất sắt từnhưsắt,
coban và nicken, tính chất này phụthuộc vào hướng của trường ngoài liên quan
đến hướng của dòng điệnđi qua vật. Năm 1857 nhà vật lý Anh William Thomson
(Kelvin)(1824-1907) cũng đã công bốmột bài báo mà trong đó ông chứng minh
rằng từtrởgiảm dọc theo các đường từhóa khi một từtrường tác dụng lên một
vật dẫn từ. Còn nếu tác dụng từtrường ngang qua vật dẫn thì từtrởlại tăng lên. Sự
khác biệt giữa từtrởtheo hướng song song vớiđường từhóa và từtrởtheo hướng
vuông góc với nó được gọi là từtrởbấtđẳng hướng. Từtrởbấtđẳng hướng là cái
có trước trực tiếpđối với từtrởkhổng lồ(GMR). Bây giờngười ta biết rằng từtrở
bấtđẳng hướng là do sựliên kết spin quỹ đạo của electron. Nói chung, các hiệu
ứng từtrởlà rất nhỏ(chỉmột vài phần trăm là lớn nhất). Hiệuứng từtrởcó vai trò
quan trọng vềmặt công nghệ đặc biệt là đối với các đầuđọc cho các đĩa từvà các
cảm biến của các từtrường. Vật liệu có ích nhất là hợp kim của sát và nicken có
công thức là Fe20Ni80. Tuy nhiên, nhìn chung không có một sựtiến bộ đáng kể
nào vềcác vật liệu từtrởtừthời của Kelvin cho đến khi phát hiện ra từtrởkhổng
lồvào năm 1988.
Trong sốcác kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm d (Sc,…, Cu, Y,…, Ag, Lu,…, Au,
nghĩa là các nguyên tốchuyển tiếp thuộc các nhóm 3d, 4d và 5d), các kim loại
thuộc nhóm 3d bao gồm sắt, coban và nicken là các chất sắt từ. Trong các lantanit
(các nguyên tốthuộc nhóm d từLa đến Lu), gadolini cũng là một chất sắt từ.
Nguồn gốc của từtính trong các kim loại này tương ứng là do các electron thuộc
nhóm 3d và 4f. Ta sẽxem xét chủyếuđến từtính của các nguyên tốthuộc nhóm 3d.
Trong các nguyên tửtựdo, các mức năng lượng nguyên tử3d và 4s của các
nguyên tốchuyển tiếp 3d là chỗ ở của các electron hóa trị.Ởtrạng thái kim loại,
các mức 3d và 4s này được mởrộng thành các vùng năng lượng. Do các quỹ đạo 4s
được mởrộng khá lớn trong không gian, có một sựphủlên nhau đáng kểgiữa các
quỹ đạo 4d thuộc vềcác nguyên tửlân cận và do đó, vùng 4d tương ứng được tản
ra khắp một vùng năng lượng rộng (15-20 eV). Trái lại, các quỹ đạo 3d được mở
rộng trong không gian ít hơn nhiều. Do đó, bềrộng năng lượng của vùng năng
lượng 3d liên kết là tương đối hẹp (4-7 eV). Trong thực tế, người ta không thể đưa
ra sựphân biệt rõ rệt giữa các quỹ đạo 3d và 4s vì chúng sẽlai mạnh với nhau
trong vật rắn. Tuy nhiên, để đơn giản các electron thuộc lớp 3d sẽ được coi là các
electron kim loại – nghĩa là chúng là các electron lưuđộng và có thểmang dòng
điệnđi qua hệmặc dù chúng còn kém linh động hơn nhiều so với các electron
thuộc lớp 4s.
Một khái niệm có ích trong lý thuyết chất rắn là mậtđộ trạng thái electron
(DOS) N(E) mà nó biểu diễn sốelectron trong hệcó năng lượng trong khoảng (E, E
+ dE). Theo nguyên lý loại trừ đối với các fermion (trong trường hợp này, fermion
là electron), chỉcó thểcó một electron chiếm giữmột trạng thái riêng. Tuy nhiên,
mỗi một trạng thái là suy biếnđối với spin và do đó có thểchứa một electron với
spin lên và một electron với spin xuống. Ởtrạng thái cơbản, tất cảcác mức năng