ĐIỆN TRỞ TỪ KHỔNG LỒ
ĐIỆN TRỞ TỪ KHỔNG LỒ
(Giải Nobel Vật lý 2007)
Ngày 9 tháng 10/2007 Hàn lâm viện
Khoa học Hoàng gia Thụy điển đã quyết định
trao Giải Nobel Vật lý năm 2007 cho hai nhà vật lý sau đây:
 |
|
|
Albert Fert Peter Grỹnberg |
|
|
|
1 . Tiểu sử hai nhà vật lý được giải
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) O 1 triệu
USD.
2
. Nội dung hiệu ứng GMR (Giant
Magnetoresistance- Điện trở từ khổng lồ)
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.
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
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.
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?
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
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 nănglưu 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.
CC.
Tài liệu tham khảo
http://nobelprize.org
, Nobel prize in Physics 2007
Nhận xét
Đăng nhận xét