Truyền tín hiệu điện qua sóng spin

Các nhà vật lí ở Nhật lần đầu tiên đã có thể cho truyền một tín hiệu điện trên khoảng cách một mili mét qua một chất cách điện, sử dụng sóng spin. Kĩ thuật, liên quan đến việc biến đổi một dòng điện thành một tín hiệu spin và sau đó biến đổi ngược lại, có thể dùng trong các dụng cụ “điện tử học spin” khai thác spin lẫn điện tích của electron. Những dụng cụ như thế có sức thu hút to lớn vì chúng có thể nhỏ hơn và hiệu quả năng lượng hơn nhiều so với các mạch điện tử thông thường.

Sóng spin

Một sóng spin có thể truyền spin qua một chất cách điện. (Ảnh: Nature).

Một vấn đề đang cản trở sự tiến bộ của điện tử học spin là khó mà truyền đi những dòng electron phân cực spin trên những khoảng cách lớn hơn một micro mét trong các chất dẫn như đồng chẳng hạn. Ưu điểm của sóng spin – những dao động tập thể của các spin tĩnh trong một chất cách điện từ tính – là chúng có thể truyền đi hàng mili mét hoặc thậm chí hàng centi mét trong một số chất với sự tổn thất rất ít.

Hiệu ứng Hall spin

Kĩ thuật trên được phát triển bởi Eiji Saitoh và các đồng nghiệp tại trường đại học Tohoku, đại học Keio và Tập đoàn FDK. Họ chế tạo dụng cụ của mình từ một sợi dây hình chữ nhật dày 1.3 µm làm bằng chất cách điện từ tính Y₃Fe₅O₁₂. Các điện cực platinum chỉ dày 15 nm lắng trên hai đầu dây, với 1mm Y₃Fe₅O₁₂ trần giữa hai điện cực.

Đội nghiên cứu cho gửi một dòng điện qua một trong hai điện cực làm cho các electron "spin-up" tập trung tại tiếp giáp giữa platinum và Y3Fe5O12, còn các electron “spin-down” tập trung tại mặt đối diện của platinum. Hành trạng này các nhà vật lí đã biết rõ và được gọi là hiệu ứng Hall spin.

Mặc dù các electron trong platinum không thể chạy vào chất cách điện, nhưng chúng có thể tác dụng một mô men quay lên các spin trong Y₃Fe₅O₁₂ ở gần lớp tiếp giáp. Các spin tĩnh này sau đó tác dụng mô men qua lên các láng giềng của chúng, rồi những láng giềng này tác dụng lên những láng giềng của chúng nữa và spin thừa ra đó gợn sóng qua chất cách điện ở dạng một sóng spin.

Khi sóng spin này đi tới điện cực platinum kia, quá trình ngược lại xảy ra – sóng spin truyền spin qua lớp tiếp giáp, tạo ra một sự thừa thải các electron spin-up. Hiện tượng này tạo ra một điện áp Hall spin làm cho các electron chạy vào điện cực thứ hai.

Hướng tới ‘dây dẫn spin’

Mặc dù dụng cụ hiện nay không đưa vào được một dòng spin từ một nguồn bên ngoài – cũng không xuất ra một dòng spin – nhưng Saitoh phát biểu với physicsworld.com rằng nguyên lí trên cũng có thể sử dụng để chế tạo những dụng cụ làm được cả hai công việc đó. Hiện tượng này có thể khai thác để chế tạo các nguồn cấp dòng spin, hoặc để truyền dòng spin trên những cự li dài.

Saitoh còn tin rằng dụng cụ trên có thể dùng để chế tạo “dây dẫn spin” có thể một ngày nào đó thay thế cho dây dẫn thông thường trong các mạch tích hợp. Và vì sóng spin dao động ở tần số gigahertz, nên dụng cụ có thể thích ứng làm một nguồn phát vi sóng.

Đội nghiên cứu hiện đang cố gắng tối ưu hóa thiết kế của họ bằng cách thử những kết hợp khác nhau của các chất liệu.

Công trình nghiên cứu được tường thuật trên tạp chí Nature 464 262.

Theo physicsworld.com