Lần đầu tiên điều khiển được dòng spin bằng điện trường

Điện tử học spin là một lĩnh vực nghiên cứu tương đối mới mẻ khai thác spin của elecron đồng thời với điện tích của nó. Spin có thể là “up” hoặc “down”, và tính chất này có thể dùng để lưu trữ và xử lí thông tin trong các dụng cụ điện tử học spin. Những mạch điện như thế có thể nhỏ hơn và hiệu quả hơn so với các mạch điện tử thông thường – chúng hoạt động trên sự chuyển dịch điện tích – vì việc lật hướng spin từ up sang down có thể thực hiện sử dụng rất ít năng lượng, ít nhất là trên nguyên tắc.

Tuy nhiên, để cho những dụng cụ như thế trở thành thực tiễn, các nhà vật lí cần phải đi đến một phương thức lật hướng spin bằng cách thiết đặt điện trường, thay cho từ trường. Đây là vì từ trường tiêu tốn nhiều hơn nếu tính theo không gian và năng lượng. Các nhà vật lí đã có một số thành công trong việc điều khiển spin bằng cách lái những dòng điện lớn đi qua một vật dẫn từ tính, nhưng cách này cũng đòi hỏi năng lượng rất mạnh.

Nay một đội đứng đầu là Agnès Barthélemy thuộc CNRS/Khoa Nghiên cứu và Công nghệ Thales và Đại học Paris-Sud ở Paris vừa chứng tỏ rằng sự điều khiển duy chỉ dùng điện ở một chất liệu lai chế tạo bằng cách ghép một chất sắt điện với một chất sắt từ. Chất sắt điện là một chất chứa những miền phân cực điện nhỏ xíu, tương tự như các miền từ hóa trong chất sắt từ. Kết quả mới này thật thú vị vì nó chứng tỏ một loại ghép điện từ, khác với sự ghép tồn tại trong các chất liệu composite đã được biết rộng rãi, theo lời thành viên đội nghiên cứu Manuel Bibes, cũng tại CNRS/Thales.

Từ trở chui hầm

Các nhà nghiên cứu đã bắt đầu bởi việc chế tạo những tiếp giáp đường hầm nhỏ xíu kết hợp hai điện cực sắt từ - sắt và oxide sắt từ LSMO – cách nhau một lớp sắt điện barium titanium oxide (BaTiO3) chỉ dày 1 nm. Cách đây 6 tháng, cũng đội nghiên cứu trên đã chứng tỏ được rằng những hàng rào đường hầm sắt điện như vậy có thể tạo ra các hiệu ứng từ trở khổng lồ ở nhiệt độ phòng (Nature 460 81). Giờ thì Barthélemy và các đồng sự đã đo từ trở chui hầm (TMR) sau khi định hướng sự phân cực sắt điện trong hàng rào đường hầm BaTiO3 là up hoặc down bằng cách thiết đặt các xung điện áp khoảng 1 V. TMR là một hiệu ứng đã biết rõ trong đó điện trở chui hầm phụ thuộc vào sự sắp thẳng hàng từ tính của hai chất sắt từ.

Người ta còn thấy TMR phụ thuộc vào sự phân cực sắt điện, theo các nhà nghiên cứu, nó cho biết sự thay đổi phân cực spin của dòng điện chui hầm. “Với sự hiểu biết của chúng tôi, đây là lần đầu tiên sự phân cực spin được điều khiển chỉ bằng một điện trường”, Bibes phát biểu với physicsworld.com.

Toàn bộ những hiệu ứng điện tử học spin, ví dụ như TMR và từ trở khổng lồ, đều phụ thuộc vào sự phân cực spin của dòng điện. Việc điều khiển sự phân cực spin bằng điện trường theo cách này, do đó, có khả năng mở ra con đường điều khiển mọi dụng cụ điện tử học spin bằng các phương tiện điện thuần túy.

Sự tương tác tại các tiếp giáp

Ở một mức độ cơ bản hơn, công trình mới trên còn nhấn mạnh sự tương tác qua lại giữa các chất chứa sắt tại các tiếp giáp, Bibes giải thích. Điều này có thể dẫn đến một thế hệ mới những chất liệu nhân tạo khai thác các hiện tượng tiếp giáp khổng lồ. “Thực tế hơn, kết quả trên có thể tỏ ra hữu dụng trong việc giảm bớt công suất ghi ở những bộ nhớ từ truy xuất ngẫu nhiên (MRAM)”.

Đội nghiên cứu, bao gồm các nhà khoa học đến từ Phòng thí nghiệm Vật lí Chất rắn ở Orsay, Pháp, BESSY ở Berlin, Đức, và trường đại học Cambrdige ở Anh, hiện đang lên kế hoạch cho những thí nghiệm bổ sung nhằm nghiên cứu thêm nữa cơ sở vật lí tiếp giáp ở các mẫu LSMO/BaTiO3/Fe. “Trong thời gian dài hơn, chúng tôi có khả năng sẽ mở rộng nghiên cứu của mình sang những hệ tiếp giáp khác”, Bibes phát biểu thêm. Công trình trên có mặt trên tờ Sciencexpress