Tuyển tập những bài báo hay về vật lý học năm 2008

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:152

Thêm vào BST

Báo xấu

106
lượt xem 29
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo chuyên đề vật lý học về Bí ẩn hoa tuyết 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: Tuyển tập những bài báo hay về vật lý học năm 2008

Physics World 2008 TUYỂN NHỮNG BÀI BÁO HAY hiepkhachquay Kiên Giang, tháng 12/ 2008
Tài liệu phát hành tại http://www.thuvienvatly.info và http://www.scribd.com/people/view/2613389-hiepkhachquay
MỤC LỤC Trang Bí ẩn hoa tuyết ............................................................................................................................. 1 Công nghệ spin vẫy gọi .............................................................................................................. 11 Kĩ thuật ảnh giao thoa ba chiều thông minh .............................................................................. 21 Công nghệ phonon đang nóng dần ............................................................................................. 32 Đi tìm những người kĩ sư vũ trụ ................................................................................................ 39 Kiến trúc phòng thí nghiệm ....................................................................................................... 47 GLAST chuẩn bị rời bệ phóng ................................................................................................... 52 Soi rọi sự sống ........................................................................................................................... 58 Thời kì phục hưng lượng tử ....................................................................................................... 73 Một tia sáng trong bóng đêm ? .................................................................................................. 88 Nghìn con mắt săm soi vũ trụ .................................................................................................... 95 Nền văn hóa lượng tử ............................................................................................................... 104 Kết thúc cơn hạn lớn ................................................................................................................ 112 Hai thập kỉ phát triển và trưởng thành ..................................................................................... 120 Bây giờ và 20 năm sau ............................................................................................................. 126 Cỗ máy tính hadron lớn ........................................................................................................... 136 Nhìn vào thế giới lượng tử ....................................................................................................... 143
Bí Nn hoa tuy t Kenneth Libbrecht S i x ng tuy t v i c a các bông hoa tuy t làm n m t n n v t lí ph c t p chi ph i cách th c các tinh th băng l n lên và phát tri n dư i nh ng i u ki n môi trư ng khác nhau, như Kenneth Libbrecht gi i thích sau ây. Th nh tho ng, nh ng th ơn gi n trong t nhiên l i có th mang tính thách nhi u nh t. ơn c như nh ng bông hoa tuy t nh bé, bi u tư ng mùa ông quen thu c có th nh n ra ngay i x ng c bi t. Ngư i ta có th nghĩ r ng quá trình t c th i b i c u trúc tuy t p c a nó và s mà nh ó hơi nư c ông c thành tinh th băng ã ư c hi u bi t c n k . Tuy nhiên, m t s xem xét g n hơn cho th y ngay c m t s câu h i r t cơ b n v cách th c tinh th băng tuy t hình thành v n chưa ư c tr l i. Bí N hoa tuy t n Th t v y, s hi u bi t c a chúng ta v s tăng trư ng tinh th nói chung là h t s c thô sơ so v i ki n th c c a chúng ta v c u trúc tinh th . S d ng phép tán x tia X t i các ngu n sáng synchrotron tiên ti n, các nhà nghiên c u có th xác nh thư ng l s s p x p chính xác c a t ng nguyên t thành ph n trong nh ng tinh th c u t o t nh ng phân t sinh h c c c kì ph c t p. Nhưng vì chúng ta không th d oán chính xác nh ng tinh th này s tăng trư ng như th nào dư i nh ng i u ki n khác nhau, nên vi c t o ra nh ng v t m u l n dùng cho phân tích v n là th gì ó thu c v m t tài khó nu t. 1 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Khó khăn chính là s tăng trư ng tinh th là m t bài toán ph c t p thu c ng l c h c phân t . S phát tri n vĩ mô và hình thái h c c a m t tinh th - t c là nó có hình thành các m t hay không, nó l n lên bao nhanh dư i nh ng i u ki n khác nhau, và nó phát tri n thành m t ơn tinh th l n hay là nhi u tinh th nh hơn – b chi ph i b i cách th c chính xác mà các nguyên t thành ph n chen N vào nhau khi chúng ông c l i. Trong khi bài toán tĩnh c a c u trúc tinh y th tương i d , thì bài toán ng l c h c c a s tăng trư ng tinh th thì th t khó nên cho n nay chúng ta không th d oán hành vi tăng trư ng c a c nh ng tinh th tương i ơn gi n – trong ó có băng tuy t. S a d ng tinh th . Các tinh th tuy t t nhiên có v a d ng v hình thái h c hay hình d ng c a chúng. Các hoa tuy t hình sao (hàng trên, t trái sang ph i) g m nh ng tinh th b n hình sáu c nh ơn gi n có v t b m t; các tinh th “b n hình qu t”, trong ó các nhánh d ng t m ư c trang hoàng v i nh ng chóp c bi t; các tinh th hình cây sao v i s phân nhánh m t v a ph i; và tinh th d ng cây sao “ki u dương x ” v i hàng lo t nhánh bên. Các hoa tuy t hình c t (hàng dư i, t trái sang ph i) bao g m nh ng tinh th hình tr r ng ơn gi n; các c m kim; và các tinh th “c t i mũ” trong ó các b n sao m ng (nhìn ngang trong hình cu i bên ph i) l n lên hai u c a các c t c ng cáp hay các c m hình kim. làm sáng t ph m vi thi u hi u bi t c a chúng ta, b n c n không gì hơn m t kính phóng i và m t cơn mưa tuy t nh . S a d ng c a các tinh th tuy t mà b n s th y th t là khác thư ng (xem nh S a d ng tinh th ). Ch ng h n, có th ban u b n g p các hình thái ph c t p, phân nhánh c a các tinh th tuy t hình sao, v cơ b n chúng là nh ng b n m ng tinh vi m ng hơn kho ng 50 l n so v i chi u r ng c a chúng. Trong m t cơn mưa tuy t khác, b n có th tìm th y ch y u là các c t hình sáu c nh m nh mai và hình kim có l dài g p 20 l n chi u dày c a chúng. Làm th nào nh ng d ng thái khác nhau như th có th phát sinh t cùng m t ch t ? Nh ng c t, kim, hay b n hình sao rơi t nh ng ám mây xu ng ban u dư i d ng m t lăng tr l c giác ơn gi n – d ng cơ b n nh t c a tinh th tuy t – ư c xác nh b i hai m t “cơ s ” và sáu m t “lăng tr ”. Hình d ng sáu c nh này, mang l i cho tinh th tuy t s i x ng sáu 2 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
l n, có ngu n g c t c u trúc phân t cơ b n c a m ng tinh th băng tuy t. Nhưng hình d ng t ng th c a m t tinh th băng tuy t ph thu c vào t c trư ng thành tương i c a các m t c nh: m t tinh th d ng c t tr hình thành khi hơi nư c ông c trên các m t cơ s ; còn tinh th d ng b n hình thành khi hơi nư c ông c d dàng hơn trên các m t lăng tr . Th c t các bông hoa tuy t d ng c t tr và ki u b n u t n t i có nghĩa là t s c a t c trư ng thành cơ s và lăng tr ph i bi n i 100 l n dư i nh ng i u ki n khác nhau. Thách th c là gi i thích như th nào s ông c c a hơi nư c thành băng tuy t r n có th mang l i s a d ng khác thư ng c a các d ng tinh th như th . B ng cách kh o sát s trư ng thành c a các tinh th tuy t, chúng ta hi v ng hi u ư c làm th nào các tương tác c p phân t xác nh nh ng c u trúc quy mô l n hơn nhi u. Khi làm như v y, chúng ta cũng ng th i thu ư c cái nhìn th u áo vào nh ng câu h i t ng quát hơn v s hình thành m u và s t l p ghép trong t nhiên. Hình thái h c tinh th M t trong nh ng ngư i u tiên bàn t i n n khoa h c c a bông hoa tuy t là nhà v t lí Ukichiro Nakaya t i trư ng i h c Hokkaido Nh t B n h i th p niên 1930. Nakaya ã nuôi các bông hoa tuy t c a riêng ông trong phòng thí nghi m, cho phép ông nghiên c u s trư ng thành c a chúng dư i nh ng i u ki n ã bi t. Các quan sát có h th ng c a ông thư ng ư c tóm t t trong m t bi u hình thái h c tinh th băng tuy t, bi u bi u di n hình d ng c a tinh th theo hàm c a nhi t và N (xem Bi u m hình thái h c). Hai c i m c bi t trong bi u này n i b t lên ngay. Th nh t, các tinh th tr nên ph c t p hơn khi N tăng lên; các lăng tr ơn gi n phát sinh khi m N th p; còn các d ng m phân nhánh, ph c t p hình thành khi N cao. Th hai, hình thái h c t ng th hành x khác m thư ng theo hàm c a nhi t , nh ó nó thay i t ki u b n sang ki u c t tr và i ngư c tr l i khi nhi t h th p. Hành vi sau t ra có ph n khó gi i thích, ngay c m c nh tính. Th t v y, sau 75 năm, chúng ta v n không th gi i thích ư c t i sao các tinh th tuy t l n lên quá khác bi t khi nhi t thay i ch vài ba . Th t ra, bi u hình thái h c tinh th tuy t ch là m t lát hai chi u ơn gi n nhìn qua “không gian hình thái” cao chi u hơn nhi u. Ch ng h n, ngư i ta cũng có th thêm vào m t tr c th i gian, tr c cho th y tinh th tr nên l n hơn và ph c t p hơn theo th i gian, hay m t tr c bi u di n áp su t ch t khí. Vào năm 1975, Takehiko Gonda t i i h c Khoa h c Tokyo nh n th y r ng các tinh th băng tuy t l n lên trong m t ch t khí ch m áp su t th p mang l i các lăng tr ơn gi n, còn áp su t cao hơn mang l i nh ng tinh th ph c t p hơn. M t mô hình toàn di n c a s tăng trư ng tinh th băng tuy t có th gi i thích m i chi u c a không gian hình thái h c, nhưng nhi u ph n c n thi t c a m t mô hình như th v n còn thi u. K t qu là nghiên c u c a chúng ta v cơ s v t lí c a hình thái h c tinh th băng tuy t v n là m t công vi c ang tri n khai. Bi u hình thái h c cho th y rõ ràng r ng s trư ng thành tinh th băng tuy t ph thu c nhi u vào nhi t và N và i u này gi i thích t i sao các tinh th tuy t d ng sao phát tri n m, 3 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
nh ng c u trúc v a ph c t p v a i x ng. Khi m t tinh th ang l n rơi qua các ám mây, nó g p ph i nhi t , N và nh ng i u ki n khác nh hư ng n s trư ng thành c a nó. ư ng m i nh t nh c a m t tinh th qua b u khí quy n thay i th t thư ng xác nh d ng cu i cùng c a nó, nên không có hai tinh th nào trông gi ng h t như nhau. Tuy nhiên, sáu cánh tay c a m t tinh th ơn gi n u i gi ng nhau, nên chúng u l n lên ng th i. Vì s tăng trư ng r t nh y v i nhi t và N nên m i tinh th ang rơi phát tri n m t c u trúc c nh t vô nh và ph c t p m v is i x ng có th nh n ra ư c. Bi u hình thái h c. Các bông hoa tuy t có th ư c mô t c trưng b ng bi u hình thái h c tinh th tuy t, bi u bi u di n hình d ng tinh th theo m t hàm c a nhi t (tr c x) và N (tr c y) trong ó chúng trư ng thành. m ây, tr c Nm th t ra là quá bão hòa – m t hơi nư c vư t quá N 100%. ư ng bão hòa hơi nư c (màu xanh) bi u di n m quá bão hòa tìm th y m t ám mây gi t nư c nh r t n ng. S ph thu c k ch tính c a hình thái h c tinh th tuy t vào nhi t cho n nay v n chưa ư c gi i thích. S phát tri n khu ch tán h n ch S ph c t p nhìn th y tinh th băng tuy t r t cu c phát sinh do cách các phân t nư c chuy n hóa thành nó. Khi m t tinh th trư ng thành, không khí xung quanh b rút h t hơi nư c, khi ó nó ph i khu ch tán t ngoài xa vào. Các phân t nư c d khu ch tán t i ch nhô ra trên tinh th hơn, v cơ b n là do nó nhúng vào trong không khí N xung quanh. Hi n tư ng này làm m cho ch nhô ra l n nhanh hơn nh ng ch khác c a tinh th , thành ra nó làm tăng kích thư c tương i c a ch nhô. S ph n h i dương tính này mang l i tính b t n tăng trư ng t o ra nh ng c u 4 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
trúc ph c t p t phát. c bi t, tính không n nh là nguyên nhân gây ra s phân nhánh hình cây và phân nhánh m t nhìn th y các tinh th băng tuy t hình sao. Năm 1947, nhà toán h c ngư i Nga G P Ivantsov ã phát hi n m t nhóm l i gi i n nh v m t ng l c h c cho phương trình khu ch tán (m t phương trình vi phân mô t s bi n i mt c a m t ch t khi ch u s khu ch tán) làm sáng t áng k s tăng trư ng c a các c u trúc hình cây. Các l i gi i ng v i các paraboloid hình kim trong không gian ba chi u hay nh ng ư ng parabol ơn gi n trong không gian hai chi u. Khi s khu ch tán v n t i các h t c l i trên b m t ch t r n, các hình kim l n lâu hơn trong khi v n gi ư c chính xác hình d ng parabol c a chúng. Nói cách khác, bán kính cong c a u kim l n v n t c l n lên c a nó v n không i theo th i gian. V i tinh th băng tuy t, u nhánh c a m t d ng cây sao ang l n là m t g n úng thô c a l i gi i Ivantsov 2D, vì tinh th g n như ph ng và u nh n có hình parabol thô. Hình d ng phân nhánh c a ki u hình cây ph c t p hơn so v i m t parabol ơn gi n, nhưng s ph c t p tăng thêm là m t s nhi u tương i nh lên hành vi g n u nh n. Các phép o cho th y bán kính u nh n và t c tăng trư ng v cơ b n không thay i theo th i gian, gi ng h t như l i gi i Ivantsov ã tiên oán. Th t thú v , băng tuy t hình thành g n như có c u trúc d ng cây gi ng nhau cho dù nó l n lên t hơi nư c trong không khí hay t nư c th l ng ông c. Trong trư ng h p sau, s tăng trư ng ch y u b h n ch b i s khu ch tán c a lư ng nhi t ti m tàng phát sinh ranh gi i l ng- r n. M t khác, trong m t tinh th băng tuy t, s tăng trư ng ch y u b h n ch b i s khu ch tán c a các phân t hơi nư c trong không khí xung quanh. C u trúc d ng cây thu ư c là gi ng nhau trong c hai trư ng h p vì c hai u ư c mô t b ng phương trình khu ch tán. Các tinh th hình kim Ivantsov là m t h l i gi i vì b t kì bán kính nh n nào u ư c phép v m t toán h c, và i v i t ng tinh th hình kim, v n t c tăng trư ng t l ngh ch v i bán kính. Do ó, i v i m t h cho trư c, chúng ta c n thêm cơ s v t lí khác n a ngoài phương trình khu ch tán m i có th ch n m t l i gi i ơn gi n, t nhiên t nhóm l i gi i Ivantsov. ây hóa ra là m t v n có ph n ng c nhiên ph thu c vào các chi ti t ng l c h c phân t trong quá trình ông c. Hi u ng vĩ mô có th o ư c d dàng này – v n t c u nh n c a m t d ng cây ang l n lên – còn ph thu c vào cơ s v t lí ph c t p m c phân t . Các tinh th băng tuy t l n lên trong i n trư ng cao còn cho thêm m t s sai l ch lí thú kh i v i nhóm l i gi i Ivantsov cho s trư ng thành khu ch tán h n ch . Khi t o ra m t tinh th băng tuy t hình cây cô l p cu i dây, ngư i ta có th d dàng làm c m ng hành vi tăng trư ng kì l b ng cách t vào m t hi u i n th cao. Vì có m t dòng i n không áng k trong không khí xung quanh, nên b m t băng tuy t nhanh chóng tr nên tích i n. K t qu là các gradient trư ng cao g n u nh n cây nhi m i n làm tăng s khu ch tán c a các phân t nư c có c c, do ó hút các phân t vào và làm tăng t c l n lên. (S tăng trư ng cũng b nh hư ng theo nh ng cách quan tr ng b i nh ng thay i c m ng i n trong áp su t hơi cân b ng). 5 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
Vi c ưa nh ng hi u ng này vào trong lí thuy t hình cây bình thư ng mang l i m t lo i b t n nh tăng trư ng m i, nh ó bán kính u nh n tr nên nh hơn áng k và tinh th hình kim l n lên nhanh hơn rõ r t trên hi u i n th ngư ng. V m t th c nghi m, hi n tư ng này có th mang l i các tinh th “hình kim i n” v i bán kính u nh n nh c 100 nm và t c tăng trư ng nhanh g p 10 l n so v i hình cây thông thư ng. Các tinh th băng hình kim l n lên b ng i n này mang l i c t tr có ích cho vi c nuôi các tinh th băng tuy t cô l p trong phòng thí nghi m, nh ó cho phép chúng ta ti n hành nh ng phép o i u khi n ư c v ng l c h c tăng trư ng tinh th băng. M t khi tinh th hình kim ã l n lên và hi u i n th t vào ư c ng t kh i, thì s tăng trư ng bình thư ng b t u và m t tinh th ki u b n ơn gi n hay ki u c t tr hình thành cu i u kim (xem hình Băng i n). Như th , tinh th băng hình kim m ng ch ng tinh th ang l n ng th i làm xáo tr n s phát tri n c a nó. Hoa tuy t kĩ thu t s M c dù nhi u nghiên c u ã ư c th c hi n trong vi c phát tri n m t lí thuy t phân tích s tăng trư ng hình cây d a trên các l i gi i Ivantsov, vi c l p mô hình s là c n thi t tái t o nh ng c u trúc ph c t p xu t hi n trong s tăng trư ng khu ch tán h n ch . Phương pháp này c bi t có ích khi c s phân m t và phân nhánh u có m t, vì s d hư ng tương ng trong ng l c h c tăng trư ng không d gì ư c bao hàm trong m t lí thuy t phân tích. Băng i n. Các nhà nghiên c u có th t o ra nh ng tinh th “hình kim i n” b ng cách thi t t m t hi u i n th cao vào các tinh th băng ang l n trên u c a m t s i dây. ây, hai tinh th hình kim dài kho ng 2mm ư c bi u di n trong pha tăng trư ng bi n i i n c a chúng (hình ngoài cùng bên trái). Khi i n trư ng b ng t và nhi t gi m xu ng – 15oC, các b n hình sao nh b t u l n lên u c a c hai kim (hình bên trái). S d ng kĩ thu t này, các nhà nghiên c u có th nuôi các tinh th băng tuy t hình sao tinh vi trong phòng thí nghi m trên u c a tinh th hình kim i n (hình bên ph i). 6 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Vn này ã nh n ư c s chú ý l n t phía các nhà luy n kim, vì vi c ông c m t kim lo i t ch t nóng ch y c a nó thư ng t o ra nh ng c u trúc hình cây kích thư c micro ho c th m chí nano có th nh hư ng sâu s c n s c b n, tính d o và nh ng tính ch t khác c a kim lo i cu i cùng. l p mô hình s quá trình ông c, trư c h t chúng ta ph i gi i ư c phương trình khu ch tán c a b m t ang tăng trư ng, r i s d ng l i gi i ó xét s tăng trư ng, trư c khi gi i phương trình khu ch tán l n n a v i ranh gi i r n ch c m i, và c th . Vì sai s trong m i bư c truy n n m i bư c sau ó, nên thách th c là vi c phát tri n kĩ thu t tính toán có s c m nh bao hàm các cơ s v t lí có liên quan mô ph ng các tình hu ng th c t . M t vài phương pháp s thông d ng ã ư c tranh xét trong nh ng năm qua. Trong s này có kĩ thu t “hi u ch nh trư c”, ch ra ranh gi i rõ ràng r n-l ng hay r n-hơi; kĩ thu t “pha- trư ng”, làm ph ng kĩ thu t s ranh gi i; và phương pháp t bào-t ng thay th các l i gi i phương trình vi phân s (có s n qua ph n m m thương m i) b ng m t m ng lư i i m tương tác l n nhau theo nh ng quy lu t ã bi t rõ. Các kĩ thu t ó có công tr ng khác nhau, nhưng t t c u mang l i k t qu có th ch p nh n ư c cho s tăng trư ng hình cây ơn gi n. Tuy nhiên, trong trư ng h p nh ng c u trúc gi ng như tinh th băng tuy t, các bài toán s tr nên khó hơn r t nhi u, vì ng l c h c b m t có tính d hư ng cao. Năm 2006, các nhà toán h c David Griffeath t i i h c Wisconsin và Janko Gravner thu c i h c California Davis, c hai u Mĩ, ch ra r ng t bào t ng c bi t m nh m trong vi c gi i bài toán s tăng trư ng tinh th băng tuy t. S d hư ng n i t i c a m ng lư i t bào-t ng, trên ó t ng t bào là c nh, dư ng như làm n nh s truy n các sai s d ng s , m c dù chính xác thì i u này ho t ng như th nào v n chưa ư c bi t rõ. S d ng phương pháp này, Griffeath và Gravner có th t o ra các tinh th băng tuy t gi cách u tiên bi u hi n d ng th c ph c t p v i s phân nhánh và phân m t th c s (xem hình Mô hình tinh th ). Cơ s v t lí b m t trong nh ng mô hình này v n là th không theo th th c, nhưng nghiên c u m i ây này có v mang l i câu tr l i tìm ki m lâu nay cho câu h i làm th nào ngư i ta có th gi cách s tăng trư ng c a ch t r n v i ng l c h c tăng trư ng d hư ng cao. S tinh vi c a b m t Rào c n l n nh t ngăn tr các nhà nghiên c u xây d ng m t mô hình toàn di n c a s hình thành tinh th băng tuy t là bi t ch c ch n t c các phân t nư c ông c t i b m t băng. Câu h i này là s ng còn vì t c tăng trư ng bi n thiên c a các m t cơ s và m t lăng tr r t cu c là cái xác nh s ph thu c nhi t nhìn th y bi u hình thái h c. Th t áng ti c, t trư c n nay không ai t ng o ư c t c tăng trư ng này v i chính xác thích áng, chúng ta cũng không có m t mô hình b m t băng cho phép tính ư c t c ông c. L i m t l n n a, ng l c h c phân t chi ti t c a băng khi n th t khó quan sát và l p mô hình b m t c a nó. nhi t g n i m ông c, ch ng h n, các phân t nư c trong không khí b n phá b m t t c mà m t l p phân t băng s ư c l ng nên trong t ng mili giây n u như các phân t va ch m u dính vào b m t. S d ng các mô ph ng ng l c h c phân t l p mô hình s tăng trư ng c a nh ng b m t b kích ng như th th t không kh thi, và các chuy n ng phân t quá nhanh có th ghi nh b ng kĩ thu t hi n vi quét. 7 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
May thay, ngư i ta không c n ph i hi u th u áo t ng chi ti t c a ng l c h c b m t l p mô hình hành vi tăng trư ng. Như trư ng h p thư ng s d ng trong nghiên c u v t lí v t ch t hóa c, ngư i ta ch c n có m t phác h a chính xác h p lí c a cơ s v t lí làm ra s ti n b . i v i s tăng trư ng tinh th , phác h a này ư c g i là “ ng h c l p ráp b m t”, theo ó ngư i ta s d ng m t lí thuy t th ng kê thông s hóa v n t c tăng trư ng là hàm c a nhi t , N và có l c nh ng i u ki n khác b m t. Lí thuy t thông s hóa sau ó ư c thúc ép m b ng các phép o v n t c tăng trư ng theo l i kinh nghi m. Mô hình tinh th . Các mô hình t bào – t ng, trong ó m t lư i t bào bên trái tương tác v i m t lư i khác theo m t t p h p quy lu t rõ ràng, g n ây ã cho phép các nhà nghiên c u mô ph ng s tăng trư ng c a tinh th băng tuy t. Nói theo nghĩa mang m tính kĩ thu t hơn, nh ng mô hình này ang b t u h p nh t các quy lu t có ngu n g c t nhiên mô ph ng “ ng h c l p ráp” h p lí b m t tinh th , ngoài vi c gi i phương trình khu ch tán c a m t tinh th ang l n. Khi nh ng kĩ thu t này tr nên tinh t hơn, chúng ta s có th t o ra nh ng mô hình s c a các tinh th tuy t nhìn bên ngoài và tăng trư ng gi ng như trong th gi i th c. Vi c thu ư c nh ng phép o thích h p th t khó n kinh ng c vì ngư i ta ph i i u khi n cN th n các i u ki n tăng trư ng n làm gi m sai s h th ng. Ví d , nh ng phép o t t nh t ư c th c hi n trong môi trư ng áp su t th p, nơi s tăng trư ng không quá ph c t p do khu ch tán, và giao thoa k laser ư c s d ng ot c l n lên c a t ng m t trên các ơn tinh th cô l p. Các nhà nghiên c u hi n ang xây d ng nh ng phép o chính xác t c tăng trư ng băng là hàm c a nhi t , N và các thông s khác, nhưng nh ng nan m i xu t hi n khi d li u c i m ti n. 8 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
Ch ng h n, nh ng k t qu m i ây t nhóm nghiên c u c a tôi t i Vi n Công ngh California cho th y trong các môi trư ng áp su t th p này, các m t lăng tr và m t cơ s l n lên tc x p x nhau, và không có s ph thu c k ch tính nào vào nhi t . D li u c bi t khó g n – 15oC, nhi t hi u nhi t mà các tinh th d ng b n m ng nh t hình thành. Nh ng phép o này ch t phác cho r ng các b n m ng s không hình thành - 15oC, trái ngư c hoàn toàn v i hàng lo t quan sát. V i nh ng s li u m i này, chúng ta ch m i ào sâu thêm bí N c a bi u n hình thái h c: không nh ng chúng ta không th gi i thích nh ng s thay i hình thái theo nhi t , mà nay chúng ta còn không th gi i thích th a áng s hình thành c a các b n m ng ch t i m t nhi t mà thôi ! Có vài cách hóa gi i nh ng quan sát khác nhau này. M t kh năng là ng h c l p ráp b tác ng m nh b i s có m t c a không khí t i b m t băng, chúng b b qua trong nh ng phép o tăng trư ng c a chúng ta. M t kh năng khác là ng h c l p ráp ph thu c vào chính c u trúc b m t, nên s tăng trư ng c a các m t l n khác v i các c nh h p c a nh ng tinh th ki u b n. Th t áng ti c, nh ng xu t này và xu t khác u mang tính suy oán, và tính cho n nay không có xu t nào xu t hi n là l i gi i thích úng n c a các b s li u mâu thu n nhau. S ph c t p v i m t hi n tư ng ơn gi n như th - s tăng trư ng c a các tinh th băng ki u b n, m ng – có th quá khó hi u. Ít nh t là hi n nay chúng ta v n còn l i ó s th t không an tâm là chúng ta không có kh năng gi i thích, cho dù là m c nh tính, m t s trong nh ng c trưng cơ b n nh t c a các bông hoa tuy t. Câu đ k t tinh Theo nhi u nghĩa, s tăng trư ng c a các tinh th tuy t là m t trư ng h p nghiên c u xu t s c trong nh ng v n khái quát c a ng l c h c tăng trư ng tinh th . Băng là m t ch t ơn phân t , tương i ơn gi n v i các tương tác n i phân t ã ư c mô t rõ ràng, và các tinh th băng ang l n lên t hơi nư c th t d th c hi n và không t n kém. Nhưng, c nh ng thí nghi m ơn gi n mang l i s a d ng phong phú c a các hình thái thú v v n không d dàng gì hi u ư c. Vi c gi i thích các tinh th băng tuy t l n lên như th nào liên quan n nhi u quá trình t nhiên x y ra nhi u c p quy mô chi u dài. kích thư c nh , thách th c là vi c phát tri n ng l c h c phân t c a các b m t ang l n và tìm hi u xem các quá trình b m t bi n i như th nào theo nhi t và các thông s khác. kích thư c l n hơn, ngư i ta ph i mô t s truy n nhi t và các h t thông qua s khu ch tán và các dòng ch y kích thư c l n. l p mô ph ng thành công các hình thái, ngư i ta ph i phát tri n các kĩ thu t tính toán h p nh t cơ s v t lí có liên quan m i kích thư c này. Hơn n a, m t lư ng nh ch t khí ho t tính hóa h c ư c tìm th y làm bi n i t ng t s hình thành tinh th tuy t, ngoài các xu hư ng hóa h c chưa ư c kh o sát r ng rãi i v i bi u hình thái h c. Bông hoa tuy t t m thư ng bi u hi n m t hi n tư ng h c gây n tư ng sâu s c xu t phát t các tương tác huy n o gi a nh ng quá trình t nhiên có v ơn gi n. Có th không có ng d ng công nghi p tr c ti p nào cho các tinh th tuy t, nhưng vi c tìm hi u chúng òi h i chúng ta ph i kh o sát nh ng câu h i cơ b n v cách th c ch t r n hình thành và các c u trúc phát sinh như 9 Tuy n Physics World 2008 | © hiepkhachquay
th nào trong khi tinh th l n lên. Nghiên c u cơ b n này có th d n n nh ng khám phá m i trong ngành luy n kim, t l p ráp kích thư c nano, và nh ng lĩnh v c khác. Tuy nhiên, ngoài các câu h i khoa h c b n ch t, ngoài nh ng ng d ng th c t c a s tăng trư ng tinh th , và ngoài t m quan tr ng khí tư ng h c c a băng tuy t khí quy n, chúng ta, nh ng ngư i suy nghĩ v các bông hoa tuy t, còn b kích thích b i m t khát v ng ơn gi n và thi t y u mu n nh n th c th u áo th gi i t nhiên xung quanh chúng ta. Nh ng tác phN băngm tuy t di u này, th t ph c t p và p tuy t v i, d dàng rơi t trên tr i xu ng v i s lư ng dư d t. Chúng ta ph i tìm hi u chúng ư c sinh ra như th nào. Kenneth Libbrecht là m t nhà v t lí t i Vi n Công ngh California, Mĩ Ngu n: The enigmatic Snowflake (Physics World, tháng 1/2008) hiepkhachquay d ch An Minh, 08/01/2008, 20:21:32 10 http://www.thuvienvatly.info | © hiepkhachquay
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