Nobel Vật lý 2007: ĐIỆN TRỞ TỪ KHỔNG LỒ

Albert Fert, nhà vật lý người Pháp, sinh 1938, Đại học Paris-Nam, Orsay, Pháp được nhận 1/2 giải.
 
Peter Grunberg, nhà vật lý người Đức, sinh 1939, Viện nghiên cứu chất rắn (Institut fur Festkorperschung), Julich, Đức, được nhận 1/2 giải.
Số tiền đi kèm theo giải: 10 triệu SEK (krona Thụy Điển) tương đương với 1.54 triệu USD.

2  .  Nội dung hiệu ứng GMR
Năm 1857 nhà vật lý người Anh Lord Kelvin đã tìm ra hiệu ứng bất đẳng hướng của điện trở từ  (anisotropic magnetoresistance- viết tắt là AMR) theo đó điện trở giảm đi dọc theo đường từ khi đặt một từ trường lên một vật dẫn từ, còn nếu đặt từ trường thẳng góc với vật dẫn thì trái lại điện trở lại tăng lên. Như vậy mối quan hệ giữa điện trở và từ trường được thiết lập.
Trước khi nói đến GMR hãy định nghĩa thế nào là Điện trở từ (Magnetoresistance-viết tắt là MR). MR (magnetoresistance) là tính chất một số vật liệu có khả năng thay đổi điện trở (electrical resistance) khi một từ trường ngoài được áp đặt lên chúng.
Năm 1998 hai nhà vật lý Fert & Grunberg tìm ra hiệu ứng GMR nhờ sự phát triển công nghệ chế tạo nhiều lớp kim loại siêu mỏng với kích thước nano (một phần tỷ mét). Trong vùng kích thước này vật liệu biểu hiện nhiều tính chất mới. Có thể nói  công nghệ GMR là một ứng dụng quan trọng của công nghệ nano.
Trong một vật dẫn kim loại, dòng điện được mang đi nhờ sự chuyển động của electron. Nếu electron bị khuếch tán khỏi hướng chính của dòng điện thì dòng điện bị yếu đi,  nghĩa là  điện trở tăng lên.

Hình 1.  Trong vật dẫn từ  các spin của phần lớn electron hướng cùng chiều với chiều từ hóa (các vòng tròn màu đỏ). Một số ít electron (các vòng tròn màu trắng) có spin ngược chiều với chiều từ hóa sẽ bị khuếch tán nhiều hơn.

Trong một vật liệu từ thì sự khuếch tán electron bị ảnh hưởng bởi hướng từ hóa (magnetization). Sự liên quan giữa từ hóa và điện trở trong hiệu ứng GMR được giải thích nhờ spin của electron. Trong vật liệu từ phần lớn các spin xếp song song với nhau, theo chiều từ hóa, tuy nhiên cũng có một số spin có chiều đối nghịch với chiều từ hóa và số electron có spin đối chiều này sẽ khuếch tán mạnh hơn khi gặp phải các tâm dị thường và tâm bẩn trong vật liệu và đặc biệt tại giao diện các lớp, do đó dòng điện giảm đi, nghĩa là  điện trở tăng lên.

3 .Thế nào là GMR?

Hình 2A & 2B . Trên hình 2A chiều từ hóa trong các lớp 1&3 là như nhau, các electron có spin song song sẽ dễ dàng đi qua các lớp và điện trở của hệ không lớn.Trong hình 2B chiều từ hóa ở các lớp 1&3 là đối nhau, các electron ở một trong hai lớp đó có spin phản song song với chiều từ hóa do đó khuếch tán nhiều và điện trở tăng vọt lên.

Trên hình 2A&2B ta có một lớp kim loại không có từ tính (lớp 2) bị ép giữa hai lớp kim loại từ (lớp 1&3).
Trên hình 2A hai lớp kim loại từ 1&3 có cùng chiều từ hóa, lúc này số electron có spin cùng chiều với chiều từ hóa sẽ đi qua các lớp dễ dàng và như thế điện trở là nhỏ.
Nếu ta thay đổi chiều từ hóa đối với lớp kim loại từ 3 (nằm bên phải cùng) như trong hình 2B thì các electron lại có spin ngược chiều với chiều từ hóa trong lớp cuối cùng bên phải do đó bị khuếch tán nghiều hơn, dòng điện giảm đi và điều đó có nghĩa điện trở tăng mạnh lên gây nên  hiệu ứng GMR. Vậy hiệu ứng GMR là hiệu ứng làm cho điện trở trở thành khổng lồ (ý nói trở nên rất lớn) nhờ tác động của từ trường.
Hãy dùng các lớp vật liệu ở hình 2A&2B vào một đầu đọc (read-out head). Giữ cố định chiều từ hóa đối với lớp 1 còn thay đổi chiều từ hóa ở lớp 3 theo ý muốn, điện trở sẽ thay đổi cho nên dòng điện đi qua sẽ rất lớn (và cho ta tín hiệu ứng với số nhị phân 1) hoặc rất nhỏ (và cho ta tín hiệu ứng với số nhị phân 0). Đó là nguyên lý ứng dụng GMR.

4  . Những ứng dụng lớn của GMR
Albert Fert & Peter Grunberg đã phát hiện hiệu ứng GMR và hiểu ngay đây là một hiệu ứng hoàn toàn mới. Đối với các vật liệu từ thông thường người ta chỉ thu được một sự khác biệt về điện trở không quá 5%. Song GMR trong công nghệ nano cho phép thu được một độ khác biệt khổng lồ (ý nói rất lớn). GMR làm tăng độ nhạy các đầu đọc. Hiệu ứng GMR với công nghệ nano gây nên một cuộc cách mạng trong công nghệ thông tin-tin học.
Những ứng dụng chính:
–  phục hồi dữ liệu từ ổ cứng,
–  chế tạo cảm biến từ (magnetic sensor),
–  làm tăng bộ nhớ ổ cứng lên đến terabyte (10 12 bytes),
–  thu nhỏ kích thước các thiết bị (máy tính, máy nghe nhạc, máy móc dùng trong
    nghiên cứu),
– chế tạo bộ nhớ tổng hợp: như chúng ta biết đối với RAM (Random Access Memory) dữ liệu lưu trữ ở đây có thể bị mất khi mất điện, hiệu ứng GMR giúp chế tạo MRAM (magnetic RAM) có khả năng lưu trữ dữ liệu lâu dài. Như vậy MRAM có thể làm nhiệm vụ đồng thời của RAM và ổ cứng. Điều này giúp thu nhỏ hơn nữa kích thước máy tính.

5  . Spintronics (Công nghệ Spin điện tử)
Hiệu ứng GMR mở ra khả năng sử dụng đồng thời điện tích lẫn spin của electron trong các thiết bị tin học. Đây sẽ là những thiết bị tin học thế hệ mới, mở đầu một công nghệ mới có tên là spintronics (công nghệ sử dụng điện tích + spin).
Nếu lớp 2 ở hình 2A&2B không phải là kim loại (không có từ tính) mà là một chất cách điện thì nhờ hiệu ứng đường hầm người ta lại thu được điện trở từ đường hầm TMR (Tunnelling Magnetoresistance). Đây lại là một hướng ứng dụng mới của GMR.

6  .  Kết luận
Công nghệ nano với hiệu ứng GMR phát hiện bởi Albert Fert và Peter Grunberg đã mở ra một cuộc cách mạng trong công nghệ thông tin- tin học. Hiệu ứng GMR cho phép chế tạo các thiết bị siêu nhỏ, mở ra những lĩnh vực mới như spintronics, TMR. Chúng ta không thể dự đoán trước tất cả các hiệu quả to lớn về khoa học và kinh tế sẽ thu được từ GMR.          

Tài liệu tham khảo
 http://nobelprize.org,  Nobel prize in Physics 2007
Chú thích ảnh:
Anh 2: Albert Fert
Anh 3: Peter Grünberg