TUYỂN NHỮNG BÀI BÁO HAY

hiepkhachquay
Kiên Giang, tháng 12/ 2008

Physics World 2008


Nền văn hóa lượng tử 104
Kết thúc cơn hạn lớn 112
Hai thập kỉ phát triển và trưởng thành 120
Bây giờ và 20 năm sau 126
Cỗ máy tính hadron lớn 136
Nhìn vào thế giới lượng tử 143
1 Tuyển Physics World 2008 | © hiepkhachquay

Bí Nn hoa tuyết

Kenneth Libbrecht
Sự đối xứng tuyệt vời của các bông hoa tuyết làm n mất nền vật lí phức tạp chi phối cách
thức các tinh thể băng lớn lên và phát triển dưới những điều kiện môi trường khác nhau, như
Kenneth Libbrecht giải thích sau đây.
Thỉnh thoảng, những thứ đơn giản trong tự nhiên lại có thể mang tính thách đố nhiều nhất.
Đơn cử như những bông hoa tuyết nhỏ bé, biểu tượng mùa đông quen thuộc có thể nhận ra ngay
tức thời bởi cấu trúc tuyệt đẹp của nó và sự đối xứng đặc biệt. Ngưi ta có th nghĩ rng quá trình
mà nh ó hơi nưc ông c thành tinh th băng ã ưc hiu bit cn k. Tuy nhiên, mt s
xem xét gn hơn cho thy ngay c mt s câu hi rt cơ bn v cách thc tinh th băng tuyt hình
thành vn chưa ưc tr li.

Bí Nn hoa tuyt

Tht vy, s hiu bit ca chúng ta v s tăng trưng tinh th nói chung là ht sc thô sơ
so vi kin thc ca chúng ta v cu trúc tinh th. S dng phép tán x tia X ti các ngun sáng
synchrotron tiên tin, các nhà nghiên cu có th xác nh thưng l s sp xp chính xác ca tng
nguyên t thành phn trong nhng tinh th cu to t nhng phân t sinh hc cc kì phc tp.
Nhưng vì chúng ta không th d oán chính xác nhng tinh th này s tăng trưng như th nào
dưi nhng iu kin khác nhau, nên vic to ra nhng vt mu ln dùng cho phân tích vn là th
gì ó thuc v mt  tài khó nut.

3 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

ln, có ngun gc t cu trúc phân t cơ bn ca mng tinh th băng tuyt. Nhưng hình dng tng
th ca mt tinh th băng tuyt ph thuc vào tc  trưng thành tương i ca các mt cnh:
mt tinh th dng ct tr hình thành khi hơi nưc ông c trên các mt cơ s; còn tinh th dng
bn hình thành khi hơi nưc ông c d dàng hơn trên các mt lăng tr. Thc t các bông hoa
tuyt dng ct tr và kiu bn u tn ti có nghĩa là t s ca tc  trưng thành cơ s và lăng
tr phi bin i 100 ln dưi nhng iu kin khác nhau.
Thách thc là gii thích như th nào s ông c ca hơi nưc thành băng tuyt rn có th
mang li s a dng khác thưng ca các dng tinh th như th. Bng cách kho sát s trưng
thành ca các tinh th tuyt, chúng ta hi vng hiu ưc làm th nào các tương tác  cp  phân
t xác nh nhng cu trúc  quy mô ln hơn nhiu. Khi làm như vy, chúng ta cũng ng thi
thu ưc cái nhìn thu áo vào nhng câu hi tng quát hơn v s hình thành mu và s t lp
ghép trong t nhiên.
Hình thái học tinh thể

Mt trong nhng ngưi u tiên bàn ti nn khoa hc ca bông hoa tuyt là nhà vt lí
Ukichiro Nakaya ti trưng i hc Hokkaido  Nht Bn hi thp niên 1930. Nakaya ã nuôi các
bông hoa tuyt ca riêng ông trong phòng thí nghim, cho phép ông nghiên cu s trưng thành
ca chúng dưi nhng iu kin ã bit. Các quan sát có h thng ca ông thưng ưc tóm tt
trong mt biu  hình thái hc tinh th băng tuyt, biu  biu din hình dng ca tinh th theo
hàm ca nhit  và  Nm (xem Biu  hình thái hc).
Hai c im c bit trong biu  này ni bt lên ngay. Th nht, các tinh th tr nên
phc tp hơn khi  Nm tăng lên; các lăng tr ơn gin phát sinh khi  Nm thp; còn các dng
phân nhánh, phc tp hình thành khi  Nm cao. Th hai, hình thái hc tng th hành x khác
thưng theo hàm ca nhit , nh ó nó thay i t kiu bn sang kiu ct tr và i ngưc tr
li khi nhit  h thp. Hành vi sau  t ra có phn khó gii thích, ngay c  mc nh tính.
Tht vy, sau 75 năm, chúng ta vn không th gii thích ưc ti sao các tinh th tuyt ln lên quá
khác bit khi nhit  thay i ch vài ba .
Tht ra, biu  hình thái hc tinh th tuyt ch là mt lát hai chiu ơn gin nhìn qua

khi ó nó phi khuch tán t ngoài xa vào. Các phân t nưc d khuch tán ti ch nhô ra trên
tinh th hơn, v cơ bn là do nó nhúng vào trong không khí Nm xung quanh. Hin tưng này làm
cho ch nhô ra ln nhanh hơn nhng ch khác ca tinh th, thành ra nó làm tăng kích thưc tương
i ca ch nhô. S phn hi dương tính này mang li tính bt n tăng trưng to ra nhng cu
5 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

trúc phc tp t phát. c bit, tính không n nh là nguyên nhân gây ra s phân nhánh hình cây
và phân nhánh mt nhìn thy  các tinh th băng tuyt hình sao.
Năm 1947, nhà toán hc ngưi Nga G P Ivantsov ã phát hin mt nhóm li gii n nh
v mt ng lc hc cho phương trình khuch tán (mt phương trình vi phân mô t s bin i
mt  ca mt cht khi chu s khuch tán) làm sáng t áng k s tăng trưng ca các cu trúc
hình cây. Các li gii ng vi các paraboloid hình kim trong không gian ba chiu hay nhng
ưng parabol ơn gin trong không gian hai chiu. Khi s khuch tán vn ti các ht c li trên
b mt cht rn, các hình kim ln lâu hơn trong khi vn gi ưc chính xác hình dng parabol ca
chúng. Nói cách khác, bán kính cong ca u kim ln vn tc ln lên ca nó vn không i theo
thi gian.
Vi tinh th băng tuyt, u nhánh ca mt dng cây sao ang ln là mt gn úng thô
ca li gii Ivantsov 2D, vì tinh th gn như phng và u nhn có hình parabol thô. Hình dng
phân nhánh ca kiu hình cây phc tp hơn so vi mt parabol ơn gin, nhưng s phc tp tăng
thêm là mt s nhiu tương i nh lên hành vi  gn u nhn. Các phép o cho thy bán kính
u nhn và tc  tăng trưng v cơ bn không thay i theo thi gian, ging ht như li gii
Ivantsov ã tiên oán.
Tht thú v, băng tuyt hình thành gn như có cu trúc dng cây ging nhau cho dù nó ln
lên t hơi nưc trong không khí hay t nưc th lng ông c. Trong trưng hp sau, s tăng
trưng ch yu b hn ch bi s khuch tán ca lưng nhit tim tàng phát sinh  ranh gii lng-
rn. Mt khác, trong mt tinh th băng tuyt, s tăng trưng ch yu b hn ch bi s khuch tán
ca các phân t hơi nưc trong không khí xung quanh. Cu trúc dng cây thu ưc là ging nhau
trong c hai trưng hp vì c hai u ưc mô t bng phương trình khuch tán.
Các tinh th hình kim Ivantsov là mt h li gii vì bt kì bán kính nhn nào u ưc
phép v mt toán hc, và i vi tng tinh th hình kim, vn tc tăng trưng t l nghch vi bán

nhng cu trúc phc tp xut hin trong s tăng trưng khuch tán hn ch. Phương pháp này c
bit có ích khi c s phân mt và phân nhánh u có mt, vì s d hưng tương ng trong ng
lc hc tăng trưng không d gì ưc bao hàm trong mt lí thuyt phân tích.

Băng in. Các nhà nghiên cu có th to ra nhng tinh th “hình kim in” bng cách thit t mt hiu in th cao
vào các tinh th băng ang ln trên u ca mt si dây.  ây, hai tinh th hình kim dài khong 2mm ưc biu
din trong pha tăng trưng bin i in ca chúng (hình ngoài cùng bên trái). Khi in trưng b ngt và nhit 
gim xung – 15
o
C, các bn hình sao nh bt u ln lên  u ca c hai kim (hình bên trái). S dng kĩ thut này,
các nhà nghiên cu có th nuôi các tinh th băng tuyt hình sao tinh vi trong phòng thí nghim trên u ca tinh th
hình kim in (hình bên phi).
7 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay Vn  này ã nhn ưc s chú ý ln t phía các nhà luyn kim, vì vic ông c mt
kim loi t cht nóng chy ca nó thưng to ra nhng cu trúc hình cây kích thưc micro hoc
thm chí nano có th nh hưng sâu sc n sc bn, tính do và nhng tính cht khác ca kim
loi cui cùng.  lp mô hình s quá trình ông c, trưc ht chúng ta phi gii ưc phương
trình khuch tán ca b mt ang tăng trưng, ri s dng li gii ó  xét s tăng trưng, trưc
khi gii phương trình khuch tán ln na vi ranh gii rn chc mi, và c th. Vì sai s trong
mi bưc truyn n mi bưc sau ó, nên thách thc là vic phát trin kĩ thut tính toán có sc
mnh bao hàm  các cơ s vt lí có liên quan  mô phng các tình hung thc t.
Mt vài phương pháp s thông dng ã ưc tranh xét trong nhng năm qua. Trong s
này có kĩ thut “hiu chnh trưc”, ch ra ranh gii rõ ràng rn-lng hay rn-hơi; kĩ thut “pha-
trưng”, làm phng kĩ thut s ranh gii; và phương pháp t bào-t ng thay th các li gii
phương trình vi phân s (có sn qua phn mm thương mi) bng mt mng lưi im tương tác
ln nhau theo nhng quy lut ã bit rõ. Các kĩ thut ó có công trng khác nhau, nhưng tt c
u mang li kt qu có th chp nhn ưc cho s tăng trưng hình cây ơn gin. Tuy nhiên,
trong trưng hp nhng cu trúc ging như tinh th băng tuyt, các bài toán s tr nên khó hơn

hóa c, ngưi ta ch cn có mt phác ha chính xác hp lí ca cơ s vt lí  làm ra s tin b.
i vi s tăng trưng tinh th, phác ha này ưc gi là “ng hc lp ráp b mt”, theo ó
ngưi ta s dng mt lí thuyt thng kê  thông s hóa vn tc tăng trưng là hàm ca nhit ,
 Nm và có l c nhng iu kin khác  b mt. Lí thuyt thông s hóa sau ó ưc thúc ép
bng các phép o vn tc tăng trưng theo li kinh nghim.

Mô hình tinh th. Các mô hình t bào – t ng, trong ó mt lưi t bào  bên trái tương tác vi mt lưi khác theo
mt tp hp quy lut rõ ràng, gn ây ã cho phép các nhà nghiên cu mô phng s tăng trưng ca tinh th băng
tuyt. Nói theo nghĩa mang m tính kĩ thut hơn, nhng mô hình này ang bt u hp nht các quy lut có ngun
gc t nhiên mô phng “ng hc lp ráp” hp lí  b mt tinh th, ngoài vic gii phương trình khuch tán ca mt
tinh th ang ln. Khi nhng kĩ thut này tr nên tinh t hơn, chúng ta s có th to ra nhng mô hình s ca các tinh
th tuyt nhìn bên ngoài và tăng trưng ging như trong th gii thc.

Vic thu ưc nhng phép o thích hp tht khó n kinh ngc vì ngưi ta phi iu khin
cNn thn các iu kin tăng trưng  làm gim sai s h thng. Ví d, nhng phép o tt nht
ưc thc hin trong môi trưng áp sut thp, nơi s tăng trưng không quá phc tp do khuch
tán, và giao thoa k laser ưc s dng  o tc  ln lên ca tng mt trên các ơn tinh th cô
lp. Các nhà nghiên cu hin ang xây dng nhng phép o chính xác tc  tăng trưng băng là
hàm ca nhit ,  Nm và các thông s khác, nhưng nhng nan  mi xut hin khi d liu ci
tin.
9 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

Chng hn, nhng kt qu mi ây t nhóm nghiên cu ca tôi ti Vin Công ngh
California cho thy trong các môi trưng áp sut thp này, các mt lăng tr và mt cơ s ln lên 
tc  xp x nhau, và không có s ph thuc kch tính nào vào nhit . D liu c bit khó
hiu  nhit  gn – 15
o
C, nhit  mà các tinh th dng bn mng nht hình thành. Nhng phép
o này cht phác cho rng các bn mng s không hình thành  - 15
o

sát rng rãi i vi biu  hình thái hc.
Bông hoa tuyt tm thưng biu hin mt hin tưng hc gây n tưng sâu sc xut phát
t các tương tác huyn o gia nhng quá trình t nhiên có v ơn gin. Có th không có ng
dng công nghip trc tip nào cho các tinh th tuyt, nhưng vic tìm hiu chúng òi hi chúng ta
phi kho sát nhng câu hi cơ bn v cách thc cht rn hình thành và các cu trúc phát sinh như
10 o | © hiepkhachquay

th nào trong khi tinh th ln lên. Nghiên cu cơ bn này có th dn n nhng khám phá mi
trong ngành luyn kim, t lp ráp kích thưc nano, và nhng lĩnh vc khác.
Tuy nhiên, ngoài các câu hi khoa hc bn cht, ngoài nhng ng dng thc t ca s
tăng trưng tinh th, và ngoài tm quan trng khí tưng hc ca băng tuyt khí quyn, chúng ta,
nhng ngưi suy nghĩ v các bông hoa tuyt, còn b kích thích bi mt khát vng ơn gin và
thit yu mun nhn thc thu áo th gii t nhiên xung quanh chúng ta. Nhng tác phNm băng
tuyt diu này, tht phc tp và p tuyt vi, d dàng rơi t trên tri xung vi s lưng dư dt.
Chúng ta phi tìm hiu chúng ưc sinh ra như th nào.
Kenneth Libbrecht là mt nhà vt lí ti Vin Công ngh California, Mĩ
Ngun: The enigmatic Snowflake (Physics World, tháng 1/2008)
hiepkhachquay dch
An Minh, 08/01/2008, 20:21:32 11 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

Công ngh spin vy gi
Tony Bland, Kiyoung Lee, Stephen Steinmüller
Các dụng cụ vi điện tử khai thác spin của electron cũng như điện tích của nó hứa hẹn làm
cách mạng hóa nền công nghiệp điện tử. Thách thức, như Tony Bland, Kiyoung Lee và Stephan
Steinmüller mô tả, là tìm một phương pháp tích hợp các chất bán dẫn vào các mạch “công nghệ
spin” như thế.
Cách ây 80 năm, các nhà vt lí lí thuyt ã gp mt vn : h thiu mt s mô t toán

chúng thc hin vai trò mt cách chính xác.
Nu như nh lut Moore tip din, chúng ta cn phi tìm mt th thay th cho vi in t
hc truyn thng – ó là thi kì khai thác spin ca electron trong các dng c bán dn. Trong khi
các dng c in t truyn thng ch da trên vic iu khin dòng in tích, thì mt dng c
thuc “công ngh spin” còn iu khin dòng spin electron (cái gi là dòng in spin) bên trong
dng c, nh ó có thêm mt  t do na.
Vì spin ca mt electron có th chuyn t mt trng thái này sang trng thái khác nhanh
hơn nhiu so vi in tích có th di chuyn xung quanh mt mch in, nên các dng c công
ngh spin ưc ngưi ta trông i hot ng nhanh hơn và sn ra ít nhit hơn các linh kin vi in
t truyn thng. Mt trong các mc tiêu ti hu là ch to mt transistor trên nn spin thay th
cho các transistor truyn thng trong các mch logic tích hp và các dng c nh, vì th cho phép
khuynh hưng thu nh tip din. Tuy nhiên, công ngh spin cũng m ra cánh ca i ti nhng
loi dng c hoàn toàn mi, ví d như iôt phát quang (LED) phát ra ánh sáng phân cc tròn trái
hoc phi dùng cho truyn thông mã hóa (xem hình Các dụng cụ trên nền spin). Nhìn xa hơn ti
tương lai, các dng c công ngh spin có th còn ưc s dng làm các bit lưng t, ơn v thông
tin do máy tính lưng t x lí.
Tuy nhiên,  cuc cách mng công ngh spin xy ra, các nhà nghiên cu cn tìm mt
phương pháp bơm, iu khin và phát hin spin ca electron trong cht bán dn, vì nhng cht
này có kh năng vn là trng tâm i vi nn vt lí dng c trong tương lai trưc mt. Vic iu
khin spin trên lí thuyt thì tương i d, nhưng vic bơm và phát hin spin dưi nhng iu kin
thc t là s thách thc ln.
13 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay Các dng c trên nn spin. Mc tiêu ca các dng c công ngh spin là khai thác spin cũng như in tích ca các
electron truyn qua chúng. iôt phát quang spin (spn-LED, hình trên cùng bên trái), chng hn, trong ó các electron
phân cc spin ưc bơm t mt lp st t (màu xanh) vào mt cu trúc bán dn (màu cam) tái kt hp vi các l
trng trong vùng hot tính (màu vàng) to ra ánh sáng phân cc tròn (màu hng, trong ó mũi tên ch hưng phân cc)
ã ưc chng minh trong phòng thí nghim và có th có ích cho truyn thông mã hóa. Tuy nhiên, có th vài ba năm
na thì dng c hu dng trc tip nht như th - mt transistor trên nn spin – mi ưc ch to. Trong mt

i song, các trng thái spin up không nhiu li có sn, nên s chui hm b trit tiêu (hình dưi). S chênh lch dòng
in chui hm khi s thng hàng spin ca các lp st t chuyn gia song song và i song ưc gi là t s TMR, và
hu ích cho vic ch to nhng dng c thc t mà TMR khong 500% là cn thit. K t năm 1995, khi TMR nhit
 phòng ưc chng minh ln u tiên, các nhà nghiên cu ã thu ưc các giá tr TMR cao hơn nhiu bng cách
thay i cht cách in và mt tip giáp ca nó.
Kh năng vn chuyn spin electron gia hai kim loi còn làm cơ s cho b nh truy xut
ngu nhiên t tr ln (MRAM) – mt loi mi l ca b nh máy tính có th vn gi thông tin mà
không cn cp ngun. MRAM hot ng trên cơ s mt hiu ng ging vi GMR gi là t tr
chui hm (TMR) phát sinh khi hai lp kim loi st t cách nhau bi mt lp mng cht cách in,
ví d như nhôm ôxit hay magiê ôxit. Thay vì các electron phân cc spin khuch tán dn t lp st
t này sang lp kia như xy ra trong GMR, trong TMR chúng chui hm cơ lưng t (mt quá
trình b cm theo lí thuyt c in, trong ó mt ht i qua mt hàng rào th cao hơn ng năng
ca nó) qua lp rào – vì th nhng dng c này ưc gi là tip giáp chui hm t tính (MTJ) (xem
hình Tiếp giáp chui hầm từ tính). Khi ó nguyên lí loi tr Pauli phát huy tác dng. S chui hm
– và do ó s vn chuyn spin qua rào th - ch có th xy ra nu như các trng thái sóng trng
không (tc là không b chim gi) vi cùng spin có sn  phía bên kia rào th: kt qu là s chui
hm ph thuc spin.
15 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

S chui hm ph thuc spin như th ưc chng minh  nhit  thp vào năm 1975 bi
Michel Jullière ti Vin Khoa hc ng dng quc gia de Lyon  Pháp. Nhưng mãi cho n năm
1995 thì Terunobu Miyazaki ti i hc Tohoku  Nht, và Jagadeesh Moodera ti Vin Công
ngh Massachusetts (MIT)  Mĩ, mi c lp nhau ch ra rng có th thu ưc TMR  nhit 
phòng. Tht áng tic, s thay i dòng chui hm khi s thng hàng spin ca các lp st t
chuyn gia song song và i song – gi là t s TMR – ch 12-18% trong dng c ca Miyazaki
và ca Moodera, thp hơn nhiu giá tr cn thit  ch to mt dng c nh thc t. Tuy nhiên,
nh mt chương trình nghiên cu ch o v t tr chui hm do Cơ quan nghiên cu tiên tin B
quc phòng (DARPA)  Mĩ, cũng như mt n lc nghiên cu công nghip áng k, t s TMR
cui cùng ã tăng lên 70% vào cui thp niên 1990.
Gn ây hơn, kh năng ch to các mt phân gii phng nguyên t gia các lp kim loi

tính st t xy ra trong các cht DMS nht nh phi tăng áng k khi pha tp chúng vi nng 
tăng dn ca các nguyên t t tính, c bit là mangan hoc côban. Tính toán ca ông da trên
mt quan im ưc  xut ln u tiên bi nhà vt lí ngưi Mĩ Clarence Zener vào thp niên
1950, trong ó tương tác gia mômen t ca các nguyên t tp cht c nh và mômen t ca các
l trng linh ng trong cht bán dn có th làm cho các mômen sp thng hàng ging như bên
trong mt cht st t. Hơn na, hiu ng này s áp o hiu ng không sp thng hàng do nhit
 cao gây ra. áng chú ý là các tính toán ca Dietl cho thy các cht bán dn ưc s dng ph
bin km ôxit và gali nitride, vi s pha tp úng mc, s biu hin tt tính st t  trên nhit 
phòng, t ó khơi mào mt n lc quc t ch o nhm phát trin các cht DMS thc t (xem
hình Tăng nhiệt độ Curie).

Tăng nhit  Curie. Các cht bán dn t loãng, biu hin s phân cc spin khi pha tp vi nhng nguyên t nht
nh, là cht liu ng c viên tuyt vi cho vic bơm các electron phân cc spin vào mt cht bán dn. Tuy nhiên, 
hu ích trong thc t thì nhit  Curie ca các cht này – nhit  mà trên ó hành vi st t s không còn – phi cao.
Mt s trong các cht trin vng nht là km mangan ôxit (ZnMnO), côban ôxit pha tp titan và thic (Co[Ti,Sn]O)
và gali mangan nitride (GaMnN). Tuy nhiên, có mt s bàn cãi xung quanh nhit  Curie o ưc ca nhng cht
này. Hi năm 2001 và 2003, hai nhóm ã tiên oán nhit  Curie vào khong 600 K i vi côban ôxit pha tp titan
hoc thic, nhưng sau ó không h có s xác nhn thc nghim có sc thuyt phc nào ht. Mt n lc áng k cũng
ã ưc thc hin nhm làm tăng nhit  Curie  gali arsenide bng cách pha tp nó vi mangan, nhưng giá tr cao
nht ưc báo cáo tính cho n nay – 250 K – b ưa vào vòng nghi vn vào mt phép phân tích li s liu. Ct màu
xanh ch ra giá tr tiên oán ca Dietl, còn mũi tên màu trng cho biu din phm vi giá tr thc nghim i vi các
nng  khác nhau.

Tuy nhiên, vic tìm mt cht biu hin tt s phân cc spin  trên nhit  phòng không
phi là thách thc duy nht trong vic phát trin mt máy bơm spin thc t. Trưc ht, nó phi có
mt s phân cc ln  có th bơm  các electron phân cc spin vào trong cht bán dn. Th hai,
nó phi có th iu khin các tính cht ca mt phân gii hình thành khi cht bơm lng trên cht
bán dn ó. Trong khi phát trin các tip giáp ưng hm t tính hi thp niên 1990, các nhà
nghiên cu bit rng tính cht ca mt vài lp nguyên t gn vi mt tip giáp có nh hưng quan
trng lên hiu sut bơm spin. ây là vì nhng lưng rt nh ca s trn ln hóa cht gia các lp

in tích ưc phân b li khi tip giáp gia kim loi và cht bán dn hình thành, t ó to ra mt
hàng rào chui hm “Schottky” ti mt phân gii. Hóa ra loi cu trúc này cũng chng minh cho
khái nim spin-LED (xem hình Bơm quang điện và phát hiện): khi mt electron phân cc ưc
bơm t lp st t vào cht bán dn, nó tái kt hp vi mt l trng, mang li s phát x ánh sáng
phân cc tròn. (Trong LED truyn thng, trái li, các electron không phân cc và l trng kt hp
nhau to ra ánh sáng không phân cc) Mt vài nhóm nghiên cu hin ang th khai thác hin
tưng này  phát trin mt dng c spin-LED thc t.
Tuy nhiên, vì s lưng electron phân cc spin chui qua hàng rào ph thuc vào tính cht
ca nó, nên mt vài nhà nghiên cu ã th thay th hàng rào Schottky bng mt lp cách in
mng trong mt n lc nhm làm tăng tín hiu bơm spin trong các h bán dn kim loi st t.
Năm 2003, Pol Van Dorpe và các ng s ti Trung tâm Vi in t hc Liên trưng i hc
18 o | © hiepkhachquay

(IMEC)  Leuven, B, thu ưc s phân cc spin bơm vào ch trên 20%  nhit  phòng vi lp
cách in nhôm ôxit. Ri thì hai năm sau ó, nhóm ca Parkin ti IBM ch ra rng vic s dng
magiê ôxit làm cht cách in ci thin hiu sut thêm na, nhưng s phân cc bơm vào nhy
cm cao  vi cu trúc tinh th ca cht làm hàng rào. Bơm quang in và phát hin. Nguyên tc hot ng ca spin-LED có th ưc mô phng  cho phép phát hin spin
– iu cn thit cho các dng c công ngh spin thc t. Trong mt spin-LED (hình trên), khi mt electron phân cc
spin ưc bơm t lp st t (màu xanh) vào trong cht bán dân (màu cam và vàng) qua mt hàng rào Schottky (màu
hng), nó tái kt hp vi mt l trng (màu ) và trong quá trình ó phát ra mt photon phân cc tròn. Mc  phân
cc tròn có th ưc s dng  ưc tính biên  ca s phân cc spin bơm vào. Quá trình này cũng có th o
ngưc li bng cách ri ánh sáng phân cc tròn lên cu trúc bán dn, làm phát sinh nhiu electron phân cc spin b
kích thích bên trong cht bán dn (hình dưi). Tùy thuc vào hưng tương i ca s t hóa ca máy dò st t so vi
s phân cc photon, các electron quang-kích thích  trng thái spin “up” (hoc “down” nu như s t hóa ngưc li)
có th chui hm qua hàng rào Schottky vào lp st t, nơi chúng có th b phát hin dưi dng tín hiu in.
Trong khi ó, tin b cũng ưc thc hin trong mt thách thc ln khác òi hi phi vưt
qua  ch to mt dng c công ngh spin: vic phát hin spin. Mt phương pháp thc hin vic

S phát trin thành công ca MTJ va cho thy tính cht ca mt vài lp nguyên t gn
vi mt phân gii có nh hưng quan trng lên s truyn spin. Trong tương lai, s tht quan trng
vic iu khin chính xác cu trúc ca các cht dùng trong nhng dng c công ngh spin bán dn,
bng cách làm cho khp s nh hưng tinh th ca mt phân gii vi s nh hưng tinh th ca
cht bơm/phát hin spin, và rõ ràng là có nhiu l trình mi y trin vng  nghiên cu. Trong
khi ngưi ta không th nói chc chng nào thì iu này xy ra, nhưng trông rt có th là cuc cách
mng công ngh spin bán dn s ưc m u bng nhng dng c s dng các màng kim loi
chuyn tip t tính tìm thy trong các dng c MRAM và MTJ.
Công nghệ spin bán dẫn
• Ngoài điện tích của chúng, các electron còn có một xung lượng góc nội, hay spin, chỉ
có hai sự định hướng khả dĩ trong một từ trường ngoài.
• Spin electron hiện nay đã được khai thác trong ổ đĩa cứng máy vi tính và bộ nhớ truy
cập ngẫu nhiên từ trở qua hiệu ứng từ trở khổng lồ và từ trở chui hầm xảy ra trong
các cấu trúc kim loại phân lớp.
• Các dụng cụ bán dẫn khai thác spin cũng như điện tích sẽ hoạt động nhanh hơn các
dụng cụ vi điện tử truyền thống và mang lại chức năng mới.
• Thách thức chủ yếu trong việc chế tạo một dụng cụ như thế là việc vận chuyển các
electron phân cực spin một cách hiệu quả đi vào và ra khỏi vùng chất bán dẫn của
dụng cụ đó.
• Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang đi theo hai phương pháp bơm và phát hiện spin:
các chất bán dẫn từ loãng lắng trên các chất bán dẫn truyền thống; và các kim loại
sắt từ lắng trên các chất bán dẫn.

20 o | © hiepkhachquay

Tài liệu tham khảo
D D Awschalom et al. 2007 The diamond age of spintronics Scientific American 297 58
J A C Bland et al. 2005 Optical studies of electron spin transmission Ultrathin Magnetic
Structures IV (ed) B Heinrich and J A C Bland (Springer, New York) pp59–100
T Dietl 2003 Dilute magnetic semiconductor: functional ferromagnets Nature Materials 2


Tuy vy, mãi cho n gn ây, kĩ thut nh giao thoa ni y khoa vn là cht liu ca
truyn vin tưng khoa hc. Trong lot phim truyn hình Star Trek: Vogayer hi năm 1995 chng
hn, phi hành oàn th k 24 x lí mt toán quân du kích  cách xa 70.000 năm ánh sáng, trong
chuyn i ó bác sĩ ca con tàu b git cht, phi hành oàn da vào “kĩ thut nh giao thoa ni y
khoa khNn cp”  chng . Nhưng truyn vin tưng khoa hc nay ang chuyn thành thc t
khoa hc, vi mt vài kĩ thut nh giao thoa ni “thông minh” dùng cho chNn oán và các ng
dng khác ã i vào th trưng.
22 o | © hiepkhachquay

Các phép th chNn oán tht là cũ rích trong th gii hin i – thưng dùng  ưc nh
mi th t bnh tt và an toàn thc phNm cho n an ninh và khng b sinh hc. Hin nay, nhng
công vic này ưc thc hin bng cách o mt vài thông s hóa hc và sinh hc trong vt mu
d dàng s dng và ri gi chúng n phòng thí nghim trung tâm  phân tích. Mc dù nhng
phòng thí nghim như th thưng là t ng hóa hoàn toàn và thm chí không yêu cu s tinh
thông ca mt nhà khoa hc, nhưng có th vn mt vài ngày trưc khi kt qu ưc gi tr li –
s chm tr có th gây tr ngi cho chNn oán.
Có mt s th cách mng trong chNn oán y khoa trong nhng năm gn ây, vi các th
nghim tăng cưng mang n cho ngưi bnh. Ví d, các phép th x lí bên ngưi bnh ã làm
gim thi gian phân tích “tác nhân gây bnh tim” t hàng ngày trong phòng thí nghim trung tâm
xung còn hàng phút, nh ó Ny nhanh tin  x lí y khoa quan trng liên quan ti các cơn au
tim. Các xu hưng tương t biu hin trong theo dõi cht lưng nưc, m bo an toàn thc phNm
và thc ung và trong kim nghim môi trưng, quân s và chng khng b. Các phép th “im
mu” như th còn có th làm gim giá thành trên mi phép th i hơn mt phn ba, ng thi tit
kim nhân s. Tuy nhiên, vì vic th nghim thưng tin hành trên mt t bng cách b trí nhân
viên và yêu cu trình din trc tip, nên v cơ bn thì công ngh cơ s là mnh và chính xác.
Các b cm bin trên nn kĩ thut nh giao thoa ni thông minh, tính cht quang ca
chúng thay i theo tác nhân bên ngoài, tht thích hp lí tưng cho kim nghim chNn oán.
Ngoài vic mang li nhng b cm bin ơn gin và áng tin cy vi kh năng cài t sn kt
qun c ưc, nhng kĩ thut giao thoa ni như th là có th tr vng ưc v mt thương mi vì