Hình 1: Một lớp phi từ (Cr) nằm giữa hai lớp từ (Fe) Hình của  CNRS d'Orsay	Kiến trúc  kiểu này rất nhạy cảm với từ trường và đã được  nghiên cứu bởi  những  hãng  chuyên ghi băng từ IBM và Seagate  dùng làm đầu  đọc ở đĩa từ với mật độ cao (high density)  Áp dụng khác  như la bàn cho máy bay, swipe-card readers, bộ phận cảm nhận độ quay bánh xe trong  thắng  ABS và bộ cảm nhận dòng điện dùng trong dao điện và  điện kế

Ðiện tử học đang thay đổi tầm vóc: xử lý thông tin nhanh chóng và kích thước của các lình kiện. Hiện nay người ta  lý luận bằng những  từ ngữ điện tử phân tử (électronique moléculaire) và  máy vi tính lượng tử (ordinateur quantique) hay điện tử spin (électronique de spin). Ngành Ðiện tử spin đuợc sinh ra từ những  bộ môn cao điểm và được gọi là  spintronique (spintronics). Kỹ thuật này có thể  làm giảm   kích thước của máy vi tính mạnh nhất mà hiện nay ta được biết, thành nhỏ như một viên đường!

Spintronique  được  thành lập trên tính chất cơ bản của các  điện tử: spin của chúng, có nghĩa là chuyển động quay của chúng siêu nhanh trên  một trục, như một trái đất nhỏ xíu quay quanh trục của nó vậy.

Thêm nữa,  những điện tử có điện tích và  khối lượng nên chúng cũng được phân biệt bằng spin của chúng. Sự xoay của spin tạo ra từ trường (cũng giống như trái đất, để  chỉ hướng  Bắc của  la bàn vậy)

Mômen góc của spin, được  diễn tả bằng một vectơ (có mũi tên) có  thể có hai chiểu: nếu quay từ "Tây sang Ðông" ta gọi là "spin up" (hướng Bắc) và  nếu quay ngược  lại thì ta gọi nó "down" (hướng Nam). Trong  một từ trường, các điện tử "up" hay "down" có  năng lượng khác nhau.

Sức chứa của bộ nhớ bị giảm tốc:

Khi điều khiển các spin này bằng những  linh kiện thích hợp, người ta có thể kiểm soát  dòng  điện tử (flux) nghĩa là  ghi nhớ thông tin và xử lý dữ liệu trong những điều kiện kích thước và  vận tốc mà  ngày nay chưa  hề đạt đến. Có nghĩa là từ trước  tới giờ máy vi tính cổ điển dùng dòng điện tử  (dòng điện) được  kiểm soát bằng từ trường mà cường độ được  tìm ra bằng những  máy thu từ (capteur magnétique), cho phép ghi hay đọc những "bits" thông tin được diễn tả dưới hình thức 0 hay 1

Trong dòng điện bình thường, các spin của  điện tử được sắp xếp ngẫu nhiên. Spin  này không đóng vai trò xác định điện trở của  dòng điện hay làm khuếch đại transistor. Với spintronique, mỗi điện tử có thể, tùy theo hướng của spin, biểu thị  một bit  thông tin, được gọi là đơn vị lượng tử thông tin (quantum bit hay qubit)

Triển vọng phi thường

Người ta  khai thác  điện tích của điện tử và spin của chúng, việc này sẽ mở ra những  khả năng  phi thường cho ngành tin học. Thí dụ, những  linh kiện mới, chủ đề khảo cứu  cho rất nhiều  phòng thí nghiệm quốc tế, có khả năng làm thay đổi sự chuyển động của dòng điện trên sự thay đổi chiều của spin.

Ngưòi ta cũng có thể chế tạo ra những đầu van hay đầu lọc  chỉ cho dòng điện đi qua khi các spin của những  điện tử được sắp xếp thẳng hàng  theo đúng chiều.  Cũng như người ta có thể  "phân cực" (polariser) nhờ những vật liệu có tính sắt từ  gồm nhiều lớp (1)  nên  có  kiểm soát tương đối chặt chẽ dòng điện tử do đó có nhiều khả năng  ghi nhớ và xử lý  thông tin.

Bộ nhớ của  máy vi tính spintronique cũng có thể  "sống còn" và  giữ lại được thông tin  khi mất hoàn toàn điện. Hơn thế nữa, khi có được  một lượng  lớn qubits  trong sự chồng chất trạng thái xoay chiều, máy vi tính lượng tử có thể  vận hành như một bộ xử lý (processeur)  song song  cho phép những thuật toán  lượng tử (algorithme quantique) giải nhiều số cùng  một lúc ! Các  máy vi tính lượng tử sẽ không dùng logic nhị  phân (logique binaire) mà dùng  vô số trạng thái của các spin cùng với   các phối hợp giữa những trạng thái này

Spintronique  ra đời vào năm 1988 khi các  nhà vật lý Pháp và  Ðức khám phá ra  một hiệu ứng  gọi là   trở từ khổng lồ (1)  (magnétorésistance géante, GMR, giant magnetoresistance) khai thác những hiệu ứng spin điện tử (effet spìn électronique) trong  những  lớp vật chất có từ tính (2)
 

Từ  khi các hãng  như IBM phát triển bộ nhớ khối  (mémoire de masse) bằng cách dùng  trở từ  khổng lồ GMR và bộ Quốc  phòng  Mỹ đã đầu tư hàng trăm triệu dollars để  nghiên cứu  spintronics, đặc biệt là trong khuôn khổ của  Center for Advanced Photonic and Electronic Materials (CAPEM), điều khiển bởi Bruce D. Mc. Combe  thuộc Ðại học Buffalo tụ họp với những  trường Ðại học  Notre Dame, Wuerzburg (Ðức), Indiana, Texas ở Austin, North Carolina State, Vanderbilt, Worcester Polytechnic Institute và  U.S. Naval Research Laboratory (NRL).

Chất bán dẫn spitronics?

Trước  khi đưa ra kỹ nghệ chế tạo linh kiện spintronic, có nhiều vấn đề như:  đoạn đường chuyên chở các chất kích thích ( la distance de transport des excitations) độ bền (đời sống) của những  linh kiện hay chúng cần  phải hoạt động  ở  nhiệt độ thật thấp để cho những spin  được  thẳng hàng.

Êkíp của  trường  Ðại học Buffalo vừa thành công  trong lãnh vực này bằng cách cho ra một chất bán dẫn gồm những  bánh manganèse (sandwich de manganèse) và  antimoniure de gallium, hoạt động  ở nhiệt độ thường  mà vẫn giữ được đặc tính thẳng hàng của các spin

Những công trình này đã cho  những triển vọng trong sự phát triển  ngành bán dẫn spintronique giúp cho sự phối hợp những xử lý  logic, bộ nhớ và  thông tin trên cùng một bọ phân tử (puce  moléculaire) nhỏ chỉ  khoảng vài trăm nanomét. Ở  tầm cỡ này,  kích thước của máy vi tính mạnh nhất mà hiện nay ta được biết, thành nhỏ như một viên đường!

 

Joël de Rosnay*, 30 tháng  7 năm  2002

Chú giải:

www.derosnay.com (* Président exécutif de Biotics International et Conseiller de la Direction Générale de la Cité des Sciences et de l'Industrie de la Villette, Paris), 30 juillet 2002

(2) Năm 1988, Albert Fert  khảo cứu về  những  lớp mỏng  vật chất tạo từ trường   bằng cách chế tạo màng nhiều lớp, một lớp phi từ (antiferromagnet) nằm giữa hai lớp từ (ferromagnet). Từ điện trở của màng nhiều lớp này lên đến gần 100%.  Người ta gọi đó là (1) trở từ khổng lồ GMR (giant magnetoresistance). Trở từ  khổng lồ có nhiều ứng dụng đặc biệt là ứng dụng để làm đầu đọc ở đĩa từ, gọi là đầu đọc GMR.  Giữa thập niên 80  Albert Fert, phòng Thí nghiệm Vật lý Chất Rắn Orsay  cộng tác với  Alain Friederich, giám đốc  hãng Thomson-CSF thuộc ngành khảo cứu kỹ thuật "épitaxie (3) bằng  tia phân tử".

(3) Epitaxie par jets moléculaires:  dùng chất bán  dẫn để  chế  mạch tích  hợp (circuit intégré, integrated circuit)

Hiệu ứng trở từ (magnetoresistance effect) là sự thay đổi điện trở khi có từ trường tác dụng. Thường gọi tắt giá trị trở từ  là độ biến thiên tương đối của điện trở khi có từ trường 

Mời các bạn đọc thêm về  spintronics

 tiếng Anh

http://www.cnrs.fr/cw/en/pres/compress/Albert_Fert.htm#1

tiếng  Pháp:

http://www2.cnrs.fr/presse/communique/271.htm