Linh kiện spintronic đầu tiên sử dụng Si thương phẩm

Linh kiện spintronic (thế hệ linh kiện điện tử của tương lai khai thác đồng thời các thuộc tính spin cũng như điện tích của điện tử) đang từng bước tiến gần tới các sản phẩm thương phẩm sau khi các nhà nghiên cứu ở Mỹ khẳng định họ đã lần đầu tiên “tiêm” (inject) các điện tử phân cực spin vào silicon.

Trong linh kiện bé tí xíu này, điện tử được chuyển dời từ một hợp kim sắt từ sang một lớp Si, và đi một quãng đường khoảng 10 micromet mà không bị mất độ phân cực của chúng. Đồng thời, nhóm có thể quay được chiều định hướng của spin khi điện tử chuyển động qua phần silicon và cuối cùng chiết suất điện tử và đo độ phân cực của chúng. Đây là một trong những linh kiện spintronic đầu tiên sử dụng vật liệu Silicon – mở rộng khả năng sản xuất thương phẩm (Kết quả này vừa được công bố trên tạp chí Nature, 447 295).

Linh kiện spintronics là các mạch điện tử mà có thể sử dụng đồng thời cả điện tích và spin của điện tử để truyền dẫn, lưu trữ và xử lý thông tin. Trên nguyên lý, các linh kiện này có thể làm tăng tốc mà nâng cao khả năng của các máy tính truyền thống, cũng như hứa hẹn khả năng phát triển máy tính lượng tử. Silicon có thể là một vật liệu tuyệt vời cho các linh kiện này vì điện tử có the chuyển động xa hơn so với trong kim loại mà không bị mất độ phân cực. Ngoài ra, Silicon làsự lựa chọn số một cho công nghiệp điện tử do đó các linh kiện spintronics sử dụng Si sẽ rất dễ dàng tương thích với các công nghệ sản xuất chip thương phẩm hiện nay.

Như lại có một vấn đề khác xảy ra là luôn không thể đưa các electron phân cực spin vào trong Si ở tại điểm bắt đầu. Các điện tử phân cực spin luôn tồn tại trong các vật liệu sắt từ (ví dụ như sắt), ở đó hầu hết các spin của điện tử dẫn luôn bị hướng theo chiều của từ độ. Nếu một lớp kim loại sắt từ được phủ lên lớp Si, điện tử sẽ bị hướng chuyển động từ chất sắt từ cào trong Si bằng cách đặt vào một hiệu điện thế. Thật không may, điện tử thường bị mất ngay độ phân cực spin khi chúng chuyển động qua vùng chuyển tiếp giữa 2 lớp vật liệu do hiệu ứng sai khác về trở kháng (impedance mismatch) giữa kim loại và bán dẫn.

Vấn đề này có thể giải quyết trong một số các vật liệu bán dẫn khác ví dụ như GaAs bằng cách cho điện tử phân cực spin chui hầm qua lớp chuyển tiếp, do đó hạn chế được hiệu ứng “impedance mismatch“. Tuy nhiên điều này lại đòi hỏi một lớp chuyển tiếp cực mỏng và tức thời giữa kim loại và bán dẫn, và khó có thể đạt được khi tạo các lớp kim loại sắt từ mọc trên Si.

Hình 1. Hình ảnh về cấu trúc các lớp của linh kiện và linh kiện được quan sát từ bên ngoài
(Theo Nature, 447 295).

Và mới đây, nhóm của Ian Appelbaum và Biqin Huang ở Đại học Tổng hợp Delaware (Mỹ) và Douwe Monsma (Cambridge NanoTech, Massachusetts, Mỹ) đã tìm ra biện pháp để giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra các “điện tử nóng” đi xuyên qua lớp chuyển tiếp giữa kim loại và bán dẫn. Thay vì có hành vi giống như các dòng điện được điều khiển bởi hiệu điện thế (sẽ bị ảnh hưởng bởi trở kháng) – các điện tử này lại tác động giống như các viên đạn được bắn qua các lớp chuyển tiếp và hoàn toàn không tạo ra hiệu ứng trở kháng. Kết quả là các “điện tử đạn đạo” này sẽ đi qua lớp Si mà không bị mất độ phân cực.

Hình 2. Một số kết quả của nghiên cứu: đường cong từ trễ và chuyển vận
điện tử trong linh kiện (Theo Nature, 447 295).

Đầu tiên, các nhà nghiên cứu tạo ra các điện tử nóng trong một tiếp xúc chui hầm được gắn vào một lớp hợp kim CoFe dày 5 nm. Các điện tử sẽ được tiêm vào lớp sắt từ (để tạo thành các đienj tử bị phân cực spin) và chúng sẽ di chuyển đến lớp sắt từ thứ hai (để đo độ phân cực spin) sau khi đã chuyển động qua lớp Si. Khi đặt một từ trường vào linh kiện, chiều của spin phân cực có thể được quay khi điện tử đi qua lớp Si. Mức độ tuế sai có thể thay đổi bằng các thay đổi từ trường đặt vào hoặc thay đổi vận tốc của điện tử nhờ đặt vào một điện trường. Bằng cách quan sát sự tuế sai này, các nhà nghiên cứu có thể khẳng định rằng điện tử quả thật giữ được độ phân cực spin của chúng khi đi qu lớp Si.

Các đo đạc được thực hiện ở 85 K để hạn chế đến mức tối đa các dòng rò trong linh kiện. Trong khi nhiệt độ thấp như thế hầu như không thực tế, nhưng Appelbaunm lại phát biểu trên Physics Web rằng linh kiện này đã tạo ra một cái nhìn mới và những kết quả cực kỳ quan trọng cho khoa học vật liệu cũng như các nghiên cứu về quá trình vận chuyển spin trong Si, một kết quả thực tiễn cho các linh kiện spintronic có thể tiến tới thương phẩm.

Vạn lý Độc hành