Từ hiệu ứng ‘Từ trở khổng lồ’ đến bộ nhớ MRAM (Magnetic Random Access Memory) |
| Vietsciences- Mai Ninh 16/10/2007 |
Những bài cùng tác giả
Peter Gründberg và Albert Fert
Giải Nobel vật lý năm nay vừa được trao tặng cho hai nhà khoa học Albert Fert và Peter Grünberg qua công trình nghiên cứu về Từ Trở Khổng Lồ. Albert Fert, 69 tuổi, sinh tại Carcassonne (miền nam nước Pháp), là giám đốc một trung tâm nghiên cứu vật lý - liên kết giữa CNRS và THALES - ở Orsay (Pháp) từ năm 1995. Peter Grünberg, 68 tuổi, sinh tại Pilsen, hiện đã nghỉ hưu. Đầu năm nay, Albert Fert và Peter Grünberg đã cùng được trao tặng Japan Prize, một giải thưởng khoa học rất uy tín của Nhật Bản.
Chúng tôi hân hạnh giới thiệu khám phá này qua bài gửi hội thảo "Einstein" năm 2005 tại Hội An của nhà nghiên cứu vật lý Mai Ninh, đồng thời là một nhà văn quen thuộc với độc giả Diễn Đàn. Bài này đã được tác giả cập nhật.
Hơn mười năm trở lại đây, ngành vật lý vật liệu đã tiến một bước vượt bực với hai khám phá khoa học quan trọng : Tính chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao (high-temperature superconductivity) và Từ trở khổng lồ (giant magnetoresistance, GMR). Cả hai đang và sẽ đem lại cho công kỹ nghệ những ứng dụng phi thường. Đặc biệt là các nghiên cứu về từ trở khổng lồ đã đưa đến những tiến bộ khó tưởng trong khả năng dự trữ thông tin của máy vi tính ngày nay.
Điện tử spin - Từ trở khổng lồ
Nhiều tính chất vật lý của vật liệu có thể thay đổi khi vật ấy được đặt trong một từ trường. Một trong số đó là điện trở của một vật liệu biến đổi theo chiều và cường độ của từ trường áp dụng trên vật liệu ấy. Dòng điện được tạo ra do sự chuyển động của các electron mang điện tích. Trong kim loại, sự chuyển động này thường bị các pha tạp hay khuyết điểm trong hệ thống cấu trúc, và sự kích thích đồng loạt (phonon, magnon) ngăn cản. Điện trở của một vật liệu là khả năng chống lại sự vận chuyển đó. Các điện tích của electron quay quanh chính chúng và tạo nên một moment tên gọi spin. Moment góc của spin là một vectơ có thể hướng theo chiều lên ( ↑ ) hay xuống ( ↓ ) (up hoặc down, bắc hay nam). Theo ước lược, tuy electron bị đụng chạm khi dòng điện đi qua nhưng khả năng khuếch tán cùng với sự quay chiều của spin vẫn không đáng kể.
Trong một số vật liệu chứa chất manganese (manganite), electron vận chuyển cơ bản giữa các ion manganese (Mn). Những ion này là nguyên tử vốn bị thiếu một hay nhiều electron. Mỗi ion đều có một số electron không lưu động, chúng tạo thành một moment từ nội tại (hay một nam châm) cho ion ấy. Sự di chuyển của electron di động tùy thuộc vào chiều moment từ nội tại lên hay xuống của ion bên cạnh mà electron sẽ va chạm. Hình 1 dưới đây phân biệt các trường hợp khả thể :
 |
| Hình 1 : Trạng thái dòng điện tùy theo chiều của spin di động đối với từ độ của ion. - nếu spin của electron di động cùng chiều với moment của ion Mn nó gặp, dòng điện sẽ nảy sinh. Vật liệu là chất dẫn điện.
- nếu spin này ngược chiều với moment từ nội tại của ion Mn tiếp đón nó, thì electron chẳng thể nhảy qua, như vậy dòng điện bị cắt. Đây là trạng thái cản điện.
- trường hợp thứ ba có thể xảy ra : Khi áp dụng vào chất manganite một từ trường bên ngoài đủ mạnh, tất cả moment từ của các ion có thể bị xoay để quay về cùng một hướng với spin của electron và như thế khiến cho sự chuyển động dòng điện không còn gặp chướng ngại. Đây là một trong những nguyên nhân của hiện tượng ‘‘từ trở khổng lồ’’.
|
Hiện tượng từ trường có thể làm cho điện trở thay đổi đã được ghi nhận trong các thí nghiệm thực hiện trên những cấu trúc được chế tạo bằng cách luân phiên chồng lớp một kim loại có từ tính với một kim loại phi từ (Hình 2). Khi người ta áp dụng một từ trường lên vật liệu đa lớp (multilayer) ấy thì từ độ của những lớp có từ tính đang ở trạng thái song song đối chiều ( ↑↓ ) sẽ ngả sang trạng thái song song cùng chiều ( ↑↑) Biên độ hiện tượng này có thể lớn gấp hai biên độ đã thấy trước đây trong các kim loại bình thường.
Một thí dụ cụ thể, nổi tiếng : Năm 1988, Albert Fert, khoa học gia về vật lý, huy chương vàng của C.N.R.S. (Trung Tâm Nghiên Cứu Khoa Học Quốc Gia) Pháp đã khám phá ra từ trở khổng lồ trên vật liệu đa lớp của sắt và chromium, ông nhận ra : Lúc đầu, với một độ dầy nào đó của các lớp chromium, từ độ của các lớp sắt lần lượt hướng theo chiều đối nghịch nhau ; nhưng khi bị một từ trường bên ngoài tác động lên, chúng đã quay cùng chiều và như thế khiến cho điện trở của vật liệu đa lớp này sút giảm mạnh. Từ đấy, nhiều cấu trúc phức tạp khác gọi là van spin (spin valve) được sáng chế và hãng IBM đã chú tâm khai thác trong mục đích tăng gia sự hữu hiệu của các phần tử từ trở, ngỏ hầu ứng dụng vào kỹ nghệ vi tính.
Nếu trước đây, spin của electron không đuợc giới vật lý lưu ý trong các nghiên cứu về hiện tượng chuyển tải dòng điện, thì sau này sự quan tâm tới spin đã mở ra một phạm trù mới cho vật lý hiện đại, cũng là một nhánh mới cho ngành vi điện tử, đấy là ‘‘Điện tử spin’’ (spintronic). Biểu hiện đầu tiên của spintronic là hiệu ứng từ trở khổng lồ phát hiện trong những lớp vật liệu mang từ tính.
Nói đến spintronic, Albert Fert giải thích như sau : ‘‘Điện tử spin khai thác tính chất lượng tử của electron : Chúng ta có thể tưởng tượng spin như một chiếc kim la bàn nhỏ xíu trong electron. Khi mà điện tử thông thường vận hành và hướng dẫn electron bằng cách áp dụng một lực trên điện tích của chúng, thì spintronic tác động trên spin của electron’’.
 |
| Hình 2 : Vật liệu đa lớp ; điện trở đo thẳng góc xuyên qua chồng lớp này lệ thuộc vào chiều của spin trong hai vỏ kim loại sắt từ bọc ngoài lớp kim loại phi từ. Trường hợp 1: điện trở yếu vì không có sự phân tán ; trường hợp 2 : các spin đối chiều, điện trở lớn hơn. |
 |
| Hình 3 : Cấu trúc perovskite lý tưởng : các chuỗi khối tám mặt MnO6 liên kết với nhau ở đỉnh theo ba chiều không gian. |
Spintronic dựa trên một số điểm chính sau đây :
- Số lượng spin ↑ và spin ↓ trong vật liệu mang từ tính khác nhau. Chính sự khác biệt này tạo nên sự từ hoá (moment từ vĩ mô) cho vật liệu.
- Có hai loại điện tử : dòng electron với spin ↑ và dòng electron với spin ↓ , chúng cùng song song dẫn điện.
- Khả năng khuếch tán của electron lưu động lệ thuộc vào chiều spin so với từ độ của vật liệu.
- Chiều dài chuyển tiếp: khi dòng điện truyền đi từ một môi trường có từ tính sang một môi trường phi từ, sẽ xảy ra sự không đồng thuận ở biên giới hai môi trường ấy do số spin ↑ và số spin ↓ khác nhau trong kim loại từ và bằng nhau trong chất phi từ. Như thế tạo ra một vùng biên giới chuyển tiếp, trong đó tính bất đối xứng của spin giảm dần. Khả năng khuếch tán của electron đi đôi với sự quay chiều spin tuy rất nhỏ nhưng sinh ra một chiều dài chuyển tiếp, còn được gọi là chiều dài khuếch tán của spin.
Đi vào lý thuyết một chút, định nghĩa của từ trở thể hiện theo công thức :
MR = [Δρ/ρ(0)] = [ρ(H) - ρ(0)] / ρ(0)
với ρ(H) là điện trở hay điện trở suất ở một nhiệt độ ấn định, khi có từ trường H ; còn ρ(0) là điện trở khi không có H (H = 0).
Từ trở MR có thể âm hay dương. Từ trở của đa số các kim loại thường nhỏ, chỉ chừng vài phần trăm. Trong những kim loại phi từ nguyên chất hay trong các hợp kim, MR thường mang trị số dương. Với vật liệu mang từ tính, MR có thể âm vì từ trường áp dụng làm biến mất tính cách vô trật tự trong hệ thống xếp đặt các spin.
Ngoài số vật liệu MR đa lớp gồm hai kim loại lần lượt mang tính sắt từ (ferromagnetic) và đối sắt từ (antiferromagnetic) hay phi từ, như sắt và chromium trong khám phá vào năm 1988 của Abert Fert nêu trên, từ trở khổng lồ đã xuất hiện nơi các hạt sắt từ (ferromagnetic granules) phân tán trong những màng kim loại thuận từ (paramagnetic metal films), chẳng hạn như đồng và sắt.
Tiếp theo đó, vào những năm 1993-1995, qua cộng tác chung giữa các hóa học và vật lý gia, tính chất từ trở khổng lồ âm đã được tìm ra trong các ốc-xít chứa chất manganese và kim loại đất hiếm (rare-earth), chúng có công thức hóa học Ln1-xAxMnO3 [Ln = đất hiếm ; A = ion dương, hóa trị đôi như đất kiềm (alkaline earth)]. Vật liệu này có cấu trúc mạng perovskite (Hình 3) : các khối tám mặt (octahedron), mỗi khối có một ion Mn ở giữa và sáu ion oxy ở đỉnh, liên kết với nhau thành chuỗi theo ba chiều không gian. Những ion dương Ln và A ngụ trong khoảng trống tạo bởi các chuỗi khối tám mặt.
Biên độ từ trở khổng lồ của chúng có thể rất lớn, MR của phương trình trên lên đến gần 100%. Do đó nhiều khoa học gia chọn tên ‘‘Colossal magnetoresistance’’ (CMR) để phân biệt với ‘‘Giant magnetoresistance’’ (GMR) đã hiện hữu trong các vật liệu kim loại hạt hay đa lớp. Hình 4 là đường biến thiên theo nhiệt độ của điện trở (ρ) khi từ trường H = 0 Tesla và H = 6 Tesla (hình trên), và của từ trở MR =δρ/ρ(0) (hình dưới), trong chất đa tinh thể La0.8Ca0.2MnO3.
Hình 4
Trong hai vật liệu hạt và đa lớp, cơ chế vật lý đưa đến hiện tượng là sự vận chuyển của các spin phân cực (polarized spins). Đối với những perovskite chứa manganese cũng thế, spin phân cực là nguồn gốc của từ trở khổng lồ âm, nhưng nó khác biệt hẳn với những gì xảy ra trong kim loại đa lớp.
Một trong các nguồn gốc vật lý cơ bản đưa đến từ trở khổng lồ của các ốc-xít manganese Ln1-xAxMnO3 là hiện tượng ‘‘trao đổi kép’’ Zener (double- exchange) giữa hai ion manganese hóa trị ba (Mn3+) và bốn (Mn4+) cùng hiện hữu trong vật liệu, qua trung gian của ion oxy (O2-). Cơ chế trao đổi này (Hình 5) đưa đến sự dời đổi một electron từ vị trí ion Mn3+ (với orbital d ngoài cùng có 4 electron) sang ion oxy trung tâm, đồng thời một electon từ oxy trung tâm này nhảy qua ion Mn4+ (orbital d có 3 electron) bên cạnh, xem như hai ion Mn đã hoán vị :
Mn3+ - O2- - Mn4+ ==> Mn4+ - O2- - Mn3+
Hình 5 : Tương tác ‘‘trao đổi kép’’ giữa 2 cation Mn3+ và Mn4+ với anion oxy trung tâm.
Năng lượng của hệ thống hạ thấp nhất khi spin của hai ion Mn3+ và Mn4+ song song đồng chiều. Phản ứng trao đổi này đưa tới một tình trạng vật lý mới, trong đó sự xếp đặt các spin cho cùng hướng với spin thuộc orbital d của những ion Mn kế bên đã đi kèm với một tăng gia tỷ suất dời đổi của các electron, và như vậy cũng làm tính chất dẫn điện mạnh hơn. Kết luận là muốn làm tăng khả năng dẫn điện cần có những tương tác sắt từ (giữa các spin song song cùng chiều). Cũng nên lưu ý ở đây là trao đổi bên trong nguyên tử mạnh hơn sự hoán chuyển giữa hai ion Mn. Tính cách ‘‘trao đổi kép’’ lệ thuộc rất nhiều vào các tham số của cấu trúc chất ốc-xít, tỉ dụ : góc đo Mn-O-Mn hay tích phân dời chuyển (transfert integral) giữa Mn-Mn.
Bên cạnh gia đình các chất ốc-xít manganese có cấu trúc perovskite Ln1-xAxMnO3, người ta còn tìm thấy từ trở khổng lồ trong một gia đình ốc-xít khác với công thức hoá học Tl2Mn2O7. Các chất này có cấu trúc tên pyrochlore (Hình 6), phức tạp hơn cấu trúc perovskite, tuy nguyên tử manganese vẫn ở trong khối tám mặt nối liền với nhau qua các nguyên tử oxy, nhưng nếu góc đo Mn-O-Mn trong perovskite gần 180° thì ở pyrochlore góc này nhỏ hơn, khoảng 134°. Nguyên tử thallium (Tl) nằm trong vòng sáu cạnh hợp bởi các oxy.
Hình 6 : Cấu trúc pyrochlore : vị trí các ion Tl, O và cách liên kết các khối tám mặt MnO6 qua các oxy ở đỉnh của khối.
Vì Tl2Mn2O73+ cũng chứa chất từ manganese, nên ban đầu người ta tin rằng nó sẽ có sự ‘‘trao đổi kép’’ Mn/Mn4+ và đưa đến tính sắt từ như trong trường hợp của perovskite. Tuy nhiên, những phân giải cấu trúc bằng phương pháp nhiễu xạ neutron trên chất pyrochlore có từ trở khổng lồ đã cho thấy chỉ có ion Mn4+ hiện hữu trong vật liệu, còn ion Mn3+ hoàn toàn vắng bóng.
Như thế, nguồn gốc của từ trở khổng lồ trong pyrochlore không do ‘‘trao đổi kép’’ mà dựa trên một cơ chế điều khiển bởi tương tác từ kiểu ‘‘siêu trao đổi’’ trong mạng của Mn và oxy (Mn-O), cùng với tương tác này còn có tác dụng của tính dẫn điện phát xuất từ sự hoà trộn các trạng thái hoá trị của ion thallium. Hình 7 dưới đây trình bày các kiểu ‘‘siêu trao đổi’’ trong trường hợp góc của tương tác ‘‘ion dương–ion âm–ion dương’’ (cation-anion-cation) là 180°. Tương tác này nảy sinh nhờ vào orbital (pσ) của anion đã giao phủ với orbital eg trống (không có electron) và các orbital t2g + eg đầy phân nửa (chỉ chứa đựng ½ số electron khả thể trong orbital) của hai cation.
Đương nhiên, ngoài những yếu tố nêu trên còn nhiều định luật và tham số vật lý khác đưa đến hiện tượng từ trở khổng lồ.
Hình 7: Các kiểu ‘‘siêu trao đổi’’ 180° giữa cation – anion – cation.
-
tương tác đối sắt từ mạnh;
-
tương tác đối sắt từ yếu;
-
tương tác sắt từ yếu;
-
orbital eg hướng về anion và orbital t2g, cả hai cùng đầy phân nửa;
-
orbital t2g đầy phân nửa nhưng orbital eg trống.
Từ trở do hiệu ứng đường hầm
Đến năm 1995, vai trò của điện tử spin càng được củng cố hơn nữa nhờ một hiện tượng vật lý tương tự được phát hiện, đó là ‘‘từ trở do hiệu ứng đường hầm’’ (tunneling magnetoresistance TMR). Jean Moodera là người lần đầu tiên tìm ra hiệu ứng đường hầm lệ thuộc vào spin, ở nhiệt độ bình thường. Trong hình thức đơn giản nhất, cầu nối đường hầm có từ tính (magnetic tunnel junction MTJ) là một vật liệu ba lớp gồm có một màng rất mỏng cấu tạo bằng chất cách điện hay chất bán dẫn (độ dầy chừng 2 nm = 2.10-9 m) ép giữa hai lớp sắt từ. Khi một hiệu thế được áp dụng giữa hai lớp sắt từ ấy (xem là 2 điện cực), sẽ phát sinh một dòng điện chạy qua lớp cách điện nằm giữa, lớp này mang tên hàng rào đường hầm. Sự hiện hữu của dòng điện đó là một trong những hậu quả kỳ lạ của thuyết lượng tử. Điện trở của một MTJ tùy theo chiều những moment từ của hai điện cực; nó lớn nhất khi các moment đó song song cùng chiều và nhỏ nhất khi chúng trái chiều. Như thế, từ trở do hiệu ứng đường hầm chẳng những lệ thuộc vào sự bất đối xứng của các spin trong hai lớp sắt từ mà còn thay đổi theo cấu trúc điện tử của màng cách nhiệt, và theo bản chất của sự giao tiếp điện tử ở vùng giao thoa cách điện - kim loại.
Ứng Dụng Công Kỹ Nghệ - Bộ nhớ MRAM
Lâu nay những phương pháp dùng để đo dò các từ trường, nhất là từ trường cường độ yếu đã có rất nhiều và đa dạng. Với điện tử spin, những cách thức hiệu nghiệm mới được phát minh, đó là bộ máy có khả năng dò bắt từ trường một cách thật nhạy bén.
‘‘Hiệu ứng từ-trở’’ đã được dùng để chế tạo các đầu đọc/ghi của đĩa cứng trong máy vi tính hiện thời. Để nhanh chóng đạt tới những thông tin chứa trong đĩa cứng, máy vi tính phải có nhiều đầu đọc. Mỗi lần một thông tin (bit) đi qua, đầu đọc ‘‘nhìn thấy’’ một cực bắc hay một cực nam, cực này tạo thành từ trường. Tùy theo bản chất nam hay bắc của cực, bit thông tin nhị phân sẽ là 0 hay 1. Mỗi bit xem như một nam châm trong đĩa cứng; một đĩa 40 GigaOctet đựng ít nhất 8*40*109, tức là khoảng vài trăm tỉ, nam châm. Khi chúng ta mở máy vi tính, máy sẽ đọc một số nhu liệu trên đĩa và đem chúng vào các bộ nhớ RAM (Random Access Memory), thời gian đạt tới bộ nhớ RAM làm bằng chất bán dẫn rất nhanh (cỡ 1 phần trăm triệu giây đồng hồ). Tuy vậy, bộ nhớ RAM dễ tiêu tan, tất cả các thông tin dự trữ trong nó sẽ biến mất ngay khi chúng ta tắt máy.
Ngày nay, nhờ từ trở khổng lồ cung cấp khả năng dò được rất nhạy các từ trường thật nhỏ, đã phát sinh khi máy vi tính ghi ký hiệu vào đĩa, kích thước ký hiệu được giảm thiểu và mật độ thông tin chứa đựng trong đĩa cứng tăng lên khoảng 100 lần. Tuy thế, Albert Fert cho rằng khả năng ấy của từ trở khổng lồ có giới hạn, nó chỉ có thể đưa đến mật độ tối đa là 20 giga-bit cho một cm vuông trên đĩa. Và ông có niềm tin là ‘‘từ trở do hiệu ứng đường hầm’’ sẽ đem lại những ứng dụng có tiềm thế cho ngành vi điện tử. Bằng phương thức giữ y nguyên moment của một trong hai màng sắt từ và thay đổi chiều của màng thứ nhì, hiệu ứng MTJ có thể đưa tới hai loại điện trở, một với mô hình spin đồng chiều và một khác chiều, điều ấy cho phép máy vi tính ghi vào đĩa trạng thái 0 và trạng thái 1, mà không bị mất năng lượng. Hiện tượng đường hầm làm cho từ trở của vật liệu biến thiên mạnh ở nhiệt độ bình thường, trong trường hợp từ trở khổng lồ độ biến thiên ấy ba lần lớn hơn. Điều này đã được áp dụng để chế tạo ra bộ nhớ điện tử mới là MRAM (Magnetic Random Access Memory). Ưu điểm của bộ nhớ MRAM, so với RAM, là nó tích trữ các thông tin một cách thường trực. Nhờ đó, không cần phải lưu trữ một số chương trình trên đĩa khi máy tắt và nạp lại lúc mở ra ; máy sẽ khởi động mau chóng và tránh được rất nhiều việc bị mất những dữ liệu. Các bộ nhớ MRAM cũng tiêu thụ ít điện hơn, do đó dùng MRAM sẽ tăng tuổi thọ các ắc-quy của máy vi tính và điện thoại di động.
Viễn Cảnh
Nhóm nghiên cứu Nhật bản AIST đã cho biết họ dùng hệ thống phun để sản xuất một MRAM với khả năng dự trữ lên tới giga-bit.
Trên nguyên tắc, giai đoạn tiếp nối sau MRAM là làm thế nào đem các vật liệu có từ tính và chất bán dẫn vào cùng trong một cấu trúc tạp chủng (hybrid), với mục đích chế tạo được vật liệu vừa mang đặc tính của chất từ để thu dữ liệu, vừa có khả năng điều động các tín hiệu điện tử và quang học của chất bán dẫn. Phối hợp được các phận sự ghi nhớ, giao hoán và giải quyết luận lý trên cùng một mạch tích hợp là cánh cửa mở ra một thế hệ mới của các chất liệu điện tử và điện-quang hiện đại tân tiến.
Viễn cảnh lâu dài của ngành khoa học điện tử spin là phát minh ra một máy vi tính lượng tử. Máy này sẽ hoạt động với tốc độ cực nhanh, nó không dùng những thông tin nhị phân như hiện thời, các dữ kiện sẽ được chuyển tải bằng hàm số sóng hay các ‘‘vật lượng tử’’ khác.
Đó là nói về tương lai, còn hiện giờ đề cập đến tác dụng công trình nghiên cứu của mình trên đời sống hằng ngày, Albert Fert chỉ giản dị nói với các thanh thiếu niên đã may mắn bắt gặp người đoạt giải Nobel 2007 giữa đường phố hôm qua (09/10/2007) : ‘‘Nếu các bạn đang nghe được nhạc với máy MP3, đấy là nhờ chút gì vào công việc tôi đã làm’’.
