Một khám phá liên quan đến ổ cứng

Hiện tượng từ trở và hiện tượng từ trở khổng lồ

Hiện tượng từ trở là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn khi nó được đặt trong một từ trường ngoài. Đối với nam châm sắt từ như sắt, cô-ban và ni-ken, tính chất này cũng sẽ phụ thuộc vào định hướng tương đối của từ trường ngoài với hướng của dòng chạy qua nam châm. Một cách chính xác, từ 150 năm trước, W.Thomson (Lord Kelvin) đã đo điện trở của sắt và ni-ken khi có sự hiện diện của một từ trường. Hiện tượng tồn tại sự khác biệt về điện trở giữa các trường hợp song song và vuông góc được gọi là hiện tượng từ trở bất đẳng hướng (AMR). Tính chất này, đến nay, được xác định là do nguồn gốc từ tương tác spin - quỹ đạo của điện tử. Một cách tổng quát, hiệu ứng từ trở thường rất nhỏ, hầu như chỉ vào cỡ vài phần trăm.

Hiệu ứng từ trở trở nên quan trọng về mặt công nghệ, đặc biệt trong việc chế tạo đầu đọc của các đĩa từ và các thiết bị cảm ứng đối với từ trường. Vật liệu hữu dụng nhất chính là một hợp kim giữa sắt và niken với tỷ lệ Fe – 20% và Ni – 80% (hợp kim pecmalci). Tuy nhiên, hầu như không có sự cải thiện đáng kể nào đối với các vật liệu cảm ứng từ kể từ công trình của Kelvin. Trong những năm 80, nhìn chung, người ta cho là không thể tăng cường một cách đáng kể khả năng hiện thực hoá các thiết bị cảm ứng từ dựa trên nguyên lý của hiệu ứng từ trở.

Do đó, năm 1988, việc hai nhóm nghiên cứu độc lập phát hiện ra các vật liệu mà tại đó đã thể hiện từ trở cực kỳ lớn và ngày nay được biết đến với cái tên từ trở khổng lồ (GMR) đã tạo ra sự chú ý lớn của cả các nhà nghiên cứu khoa học thuần tuý và của cả các nhà nghiên cứu ứng dụng. Những vật liệu này được gọi là các vật liệu đa lớp từ, tại đó các lớp kim loại sắt từ và phi từ tính được xếp xen kẽ với nhau (hình 1). Độ dày của mỗi lớp riêng biệt có kích thước nanomet, nghĩa là chỉ mỏng cỡ vài lớp nguyên tử. Trong các thí nghiệm nguyên thuỷ dẫn đến sự phát hiện của hiện tượng từ trở khổng lồ, nhóm do Peter Gruenberg đứng đầu đã sử dụng một hệ ba lớp Fe/Cr/Fe, trong khi đó, nhóm còn lại do Albert Fert đứng đầu đã sử dụng nhiều lớp ở dạng (Fe/Cr)n, trong dó n lớn cỡ 60.

Các lớp sắt dày cỡ nanomet (màu xanh) được tách bởi các lớp không gian cỡ nanomet được chế tạo từ kim loại thứ hai (ví dụ như crôm hoặc đồng). Hình vẽ bên trái phía trên minh hoạ hệ đa lớp (Fe/Cr)n với n cỡ 60 được sử dụng bởi nhóm Fert.

Trong hình vẽ thứ hai, các kết quả đo của nhóm Gruenberg được hiển thị (bên trái) cùng với các kết quả đo của nhóm Fert (bên phải). Trục y và trục x biểu diễn sựthay đổi của điện trở và từ trường bên ngoài một cách tương ứng. Các thí nghiệm chỉ ra một từ trở âm lớn nhất đối với ba lớp cũng như đối với nhiều lớp, chỉ ra một sự suy giảm của điện trở gần như50% khi đặt đối diện với từ trường. Hiệu ứng nhỏ hơn nhiều đối với hệ đi về phía bên trái không chỉ bởi vì hệ chỉ có ba lớp mà còn vì các thí nghiệm do nhóm Gruenberg tiến hành được thực hiện tạinhiệt độ phòng, trong khi đó các thí nghiệm của Albert Fert tiến hành được thực hiện tại nhiệt độ rất thấp (4.2 K).

Hình 2 bên trái: kết quả đo từ trở (nhiệt độ phòng) đối với hệ ba lớp Fe/Cr/Fe. ở vùng xa bên phải cũng như ở vùng xa bên trái, độ từ hoá của hai lớp cắt song song với từ trường bên ngoài. Tại vùng ở giữa, độ từ hoá của hai lớp sắt là đối song. Các thí nghiệm cũng chỉ ra hành vi (sự khác biệt giữa 1 và 4 (2 và 3)) đặc trưng cho phép đo từ hoá.

Bên phải các kết quả đo từ trở đối với hệ ba lớp Fe/Cr/Fe)n. Đối với vùng xa bên phải (lớn hơn HS, trong đó HS là trường bão hoà cũng như vùng xa bên trái nhỏ hơn – HS) độ từ hoá của tất cả các lớp sắt là song song với từ trường ngoài. Tại vùng từ trường yếu mỗi lớp sắt thứ hai bị từ hoá đối song với từ trường ngoài.

Gruenberg cũng ghi lại các phép đo độ từ hoá tại nhiệt độ thấp đối với hệ gồm ba lớp sắt được phân cách bởi hai lớp crôm và nhận thấy rằng điện trở giảm đi 10%. Qua các kết quả đo thu được, Fert và Gruenberg không chỉ nhận thấy rằng đặc tính từ trở bị thay đổi một cách mạnh mẽ mà cả hai còn xác nhận được rằng những quan sát này chính là một hiện tượng mới, trong đó bản chất của từ trở là một dạng hoàn toàn mới. Ngay trong tiêu đề của công bố nguyên thuỷ, nhóm Fert đã gọi hiệu ứng quan sát được là từ trở khổng lồ. Gruenberg cũng nhận thức ngay những khả năng mới đối với ứng dụng kỹ thuật và đăng ký bản quyền phát hiện này.Từ thời điểm này, một lĩnh vực về nghiên cứu từ hoá các lớp mỏng đã thay đổi định hướng hoàn toàn và mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới: điện tử học từ.

Sự phát hiện ra hiệu ứng từ trở khổng lổ, mặt khác, cũng có thể được coi là sự ra đời của một ngành nghiên cứu mới: spintronics.

Các ứng dụng của hiệu ứng từ trở khổng lồ

Sự phát hiện ra hiệu ứng từ trở khổng lồ ngay lập tức đã mở ra một cánh cửa đối với những khả năng công nghệ và khoa học mới, có ảnh hưởng to lớn đến kỹ thuật lưu trữ dữ liệu và các thiết bị cảm ứng từ. Ngày nay hàng nghìn nhà khoa học trên khắp thế giới đang làm việc trên các hiện tượng điện từ trở khổng lồ là một chứng minh thú vị về việc một khám phá khoa học không được mong đợi có thể tạo nên ảnh hưởng như thế nào đối với các công nghệ hoàn toàn mới và các sản phẩm thương mại.

Trong diễn văn công bố giải Nobel vật lý năm 2007, giáo sư Ingemar Lunstroem đã nói ảnh hưởng của hiệu ứng từ trở khổng lồ đến sự thay đổi về cách thức, hình dáng và chức năng đối với các máy tính của chúng ta: “Hiệu ứng từ trở khổng lồ được sử dụng rộng rãi trong việc thiết kế các đầu đọc của các ổ cứng hiện tại. Hãy cảm ơn công nghệ này vì nó đã cho phép thu gọn các ổ cứng một cách đáng kể trong những năm gần đây, những đầu đọc nhạy cảm là cần thiết để có thể đọc được dữ liệu trong các ổ cứng nhỏ gọn, được sử dụng các thiết bị điện tử dân dụng ngày càng phổ biến”.

Ngay khi hiệu ứng này được khám phá và được công bố, các nhà nghiên cứu và các kỹ sư tại các hãng công nghệ cao và các viện nghiên cứu đã ngay lập tức bắt tay vào việc để có thể sử dụng hiệu ứng này trong các đầu đọc. Năm 1997 đầu đọc đầu tiên trên thế giới sử dụng hiệu ứng GMR được công bố và ngay lập tức nó đã trở thành công nghệ chuẩn. Thậm chí các kỹ thuật đọc ngày hôm nay cũng chỉ là những sự phát triển tiếp theo của hiệu ứng GMR.

Hiệu ứng từ trở khổng lồ được phát hiện một phần nhờ vào những công nghệ mới được phát triển vào những năm 70 để chế tạo những lớp cực mỏng của các vật liệu khác nhau. Nếu từ trở khổng lồ làm việc thì các cấu trúc chứa các lớp với độ dày cỡ vài nguyên tử sẽ được sản xuất. Chính vì nguyên nhân này, từ trở khổng lồ cũng có thể được xem như một trong những lĩnh vực thực tế đầu tiên của công nghệ nano đầy hứa hẹn.

Chỉ trong vòng 10 năm, hiệu ứng từ trở khổng lồ đã thực hiện một con đường dài của mình từ phòng thí nghiệm đến người tiêu dùng và ngày nay được sử dụng hàng triệu, hàng tỉ lần mỗi ngày.

Một ứng dụng khác của hiệu ứng này là bộ nhớ truy nhập ngẫu nhiên từ trở (MRAM) hứa hẹn sẽ làm thay đổi tốc độ của các bộ nhớ trong máy tính hiện đại.

Nguồn: Vật lý & Tuổi trẻ, số 52, 12 – 2007, tr 16.