Titanium dioxide pha tạp cobalt là chất thuận từ với spin trên các ion cobalt hướng theo những chiều ngẫu nhiên, nhưng việc thiết đặt một điện áp nhỏ có thể làm thẳng hàng các spin, biến chất liệu trên thành chất sắt từ.
Các nhà vật lí ở Nhật Bản vừa công bố cách làm cho một chất bán dẫn trở nên có từ tính đơn giản bằng cách thiết lập một điện áp khá khiêm tốn lên chất đó ở nhiệt độ phòng. Mặc dù hiệu ứng trên đã được quan sát thấy từ trước, nhưng trước đây nó đòi hỏi nhiệt độ cực thấp và điện áp lớn. Masashi Kawasaki thuộc trường Đại học Tokyo cùng các đồng nghiệp cho biết khám phá của họ có thể giúp chế tạo các chip nhớ MRAM hiệu quả năng lượng hơn, vì không cần duy trì một dòng điện khi ghi dữ liệu lên chip nữa.
Từ tính giữ một vai trò quan trọng trong phần lớn nghiên cứu vật lí vật chất ngưng tụ, với những kim loại như sắt và cobalt biểu hiện từ tính vĩnh cữu, hay sắt từ, vì spin từ của các electron thành phần của chúng tự sắp thẳng hàng với nhau. Tuy nhiên, các chất bán dẫn như silicon, lại có tính thuận từ, nghĩa là spin của chúng chỉ sắp thẳng hàng khi có tác dụng của một từ trường ngoài.
Nhưng cái do đội của Kawasaki thực hiện là chứng tỏ rằng chất bán dẫn titanium dioxide, pha tạp khoảng 10% tạp chất cobalt, có thể biến đổi từ một chất thuận từ thành chất sắt từ (và biến đổi ngược lại) khi đặt trong một tế bào điện phân và đặt vào nó một điện áp.
Khi không có điện áp đặt vào, ba spin bên trong mỗi ion cobalt sắp thẳng hàng với nhau nhưng không có sự sắp thẳng hàng giữa các ion, như cái người ta trông đợi ở một chất thuận từ. Nhưng với một điện áp đặt vào, các electron ngoài có thể đi vào trong chất liệu, vận chuyển thông tin về spin electron bên trong các ion cobalt từ ion này sang ion tiếp theo. Spin của các ion giờ lại sắp thẳng hàng với nhau, thành ra làm spin của các electron linh động hướng cùng chiều với nhau.
Mặc dù khả năng kiểu tắc kè hoa làm có hoặc không có từ tính trong một chất bán dẫn trước đây đã được chứng minh bởi Hideo Ohno cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học Tohoku ở Nhật Bản hồi năm 2000, sử dụng một hợp kim bán dẫn màng mỏng, nhưng họ chỉ có thể làm như vậy ở nhiệt độ thấp 25 K và điện áp cao đến 125 V.
Nhưng bằng cách tích hợp một tế bào điện hóa vào trong một transistor hiệu ứng trường, nhóm của Kawasaki đã có thể bổ sung thêm mật độ electron lớn hơn nhiều vào chất bán dẫn và vì thế làm từ tính của chất liệu có hoặc không có ở nhiệt độ phòng, sử dụng một hiệu điện thế chỉ có 4 V.
Các nhà nghiên cứu xác nhận sự có mặt của tính sắt từ ở titanium dioxide pha tạp chất bằng cách cho dòng điện đi qua chất đó và đo điện áp hai đầu của nó. Sự ưu thế của một hướng spin so với những hướng khác buộc các electron tán xạ sang trái nhiều hơn so với sang phải (và ngược lại), vì thế tạo ra một hiệu điện thế vuông góc với đường đi của chúng (một hiện tượng gọi là hiệu ứng Hall dị thường).
Kawasaki cho biết kết quả của đội của ông có thể nâng cao hiệu quả năng lượng của các chip nhớ MRAM, linh kiện gồm hàng triệu cặp bản sắt từ song song nhỏ xíu, với hai bản ở mỗi cặp cách nhau bởi một chất cách điện. Điện trở của những cặp này là thấp khi spin ở mỗi bản trong hai bản sắp cùng chiều với nhau và là cao khi chúng sắp ngược chiều nhau, tương ứng với “1” và “0”.
Việc ghi dữ liệu lên chip là làm thay đổi sự định hướng tương đối của các spin từ, công việc hiện nay người ta thực hiện bằng cách cho một dòng điện đi qua dây và đặt các bản trước một từ trường. Tuy nhiên, nếu người ta có thể làm lật các spin dễ dàng bằng cách đặt một điện áp vào các cặp bản thì sự lật chiều này có thể thực hiện ở những năng lượng thấp hơn nhiều, Kawasaki nói. Mặc dù cho đến nay ông chưa làm chủ được việc lật đảo spin ở một chất bán dẫn, nhưng Kawasaki cho biết đây là mục tiêu tiếp theo trong chương trình nghiên cứu của ông.
Ông thừa nhận rằng sự tiêu hao năng lượng ở các chip MRAM hiện nay chẳng phải là vấn đề gì to tát, đơn giản là vì loại bộ nhớ này vẫn chưa được sử dụng rộng rãi, và nó đắt hơn nhiều so với những công nghệ lưu trữ khác, thí dụ như đĩa flash. Nhưng ông cho biết nếu giá thành có hạ xuống và các dụng cụ MRAM trở nên phổ biến hơn (chúng hoạt động nhanh và bền), thì sự tiêu hao năng lượng của chúng sẽ trở thành một vấn đề lớn.
Ở đây, ông cho rằng, cách tốt hơn vẫn là sử dụng các chất bán dẫn có thể có tính sắt từ bằng cách thiết lập một điện áp. “Hãng IBM hiện đang nhắm tới việc ngừng sử dụng ổ đĩa cứng và sử dụng MRAM thay thế”, ông nói. “Nhưng các dụng cụ của hãng cần một dòng điện để lật đảo bộ nhớ”.
Những nhà nghiên cứu khác cũng tin rằng nghiên cứu trên có thể có những thành quả thực tiễn đáng kể. Yuan Ping Feng thuộc trường Đại học quốc gia Singapore nghĩ rằng nó có thể “dẫn tới những ứng dụng công nghệ trong ngành điện tử học spin bán dẫn”, còn Igor Žutić và John Cerně tại trường Đại học Bang New York ở Mĩ, viết trong một bài phân tích in cùng với bài báo trên, thì cho rằng những chất sắt từ mới như trên có thể “giúp chúng ta chế tạo ra những transistor linh hoạt hơn và mang chúng ta tiến gần hơn đến sự tích hợp liền mạch của bộ nhớ và mạch logic”.
Žutić and Cerně còn cho biết, không giống như những chất sắt từ thông thường, trong đó nhiệt tỏa ra là một trở ngại vì nó có xu hướng làm phá vỡ sự thẳng hàng spin, chất liệu mới trên thật sự tăng cường từ tính ở những nhiệt độ cao hơn vì nhiệt sinh thêm sẽ làm tăng số hạt mang điện. “Điều này có thể tăng cường vai trò của chúng là hạt trung chuyển từ tính và có thể khắc phục vai trò thường thấy của nhiệt là kẻ khắc tinh của sự sắt từ”.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science 332 1605.
Nguồn: physicsworld.com
