Nghiên cứu về hiệu ứng Hall đối với vật liệu phản sắt từ đã tiến bộ đáng kể nhờ vào một nhóm các nhà khoa học quốc tế, làm tăng thêm giá trị cho các thiết bị lưu trữ thế hệ tiếp theo.
Vật liệu phản sắt từ thể hiện từ tính bên trong là kết quả của spin điện tử, nhưng về cơ bản không có từ trường bên ngoài. Việc chúng không có từ trường bên ngoài cho phép lưu trữ các bit được đóng gói dày đặc hơn, điều này khiến chúng trở thành ứng cử viên hoàn hảo cho việc lưu trữ dữ liệu.
Ngược lại, các vật liệu sắt từ truyền thống được sử dụng trong các hệ thống lưu trữ từ trường thông thường không giống như vậy. Trong trường hợp này, các bit tạo ra một từ trường khiến việc duy trì sự gần gũi của chúng để ngăn cản sự tương tác là một thách thức.
Một đặc tính quan trọng của vật liệu phản sắt từ và sắt từ là hiệu ứng Hall, nơi một điện áp xuất hiện vuông góc với hướng của dòng điện. Dấu hiệu của điện áp được biểu diễn bằng một mũi tên hướng lên hoặc xuống và do đó được biểu thị bằng bit 1 hoặc 0. Trong vật liệu phản sắt từ, hiệu ứng này đã là nền tảng của vật lý trong khoảng 10 năm, với một số điều vẫn chưa được khám phá.
Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Tokyo ở Nhật Bản, Đại học Cornell và Johns Hopkins ở Mỹ, và Đại học Birmingham ở Anh đã đưa ra lời giải thích cho hiệu ứng Hall tự phát trong một chất phản nam châm Weyl (Mn3Sn). Các phát hiện, được báo cáo trên tạp chí Nature Physics, có tác dụng đối với cả sắt từ và phản nam châm.
Điện tử kỹ thuật số
Cơ sở của tính toán kỹ thuật số là khả năng đọc, ghi và xóa trạng thái dữ liệu nhị phân. Bóng bán dẫn là một loại linh kiện bán dẫn có thể chuyển đổi tín hiệu điện trong các mạch tích hợp ngày nay, hoạt động như một bit có thể đại diện cho không hoặc một.
Vì vậy, chúng ta thường đề cập đến một bóng bán dẫn chỉ như một cổng logic cơ bản hoặc thiết bị kỹ thuật số. Về cơ bản, nó hoạt động như một ô nhớ. Việc mở rộng sức mạnh và khả năng xử lý sau đó được thúc đẩy bởi khả năng thu nhỏ các bóng bán dẫn và lắp ngày càng nhiều bóng bán dẫn trong số đó vào một tấm silicon.
Các nhà khoa học đang cố gắng tìm ra các giải pháp thay thế vì định luật Moore đang gặp nguy hiểm và đang nhanh chóng tiếp cận một rào cản quan trọng. Một ý tưởng là tìm ra cách thực hiện các phép tính nhị phân sử dụng các trạng thái lượng tử của vật chất.
Truy cập trạng thái spin của nguyên tử hoặc electron là một lựa chọn khác. Spintronics là một loại máy tính cho phép sử dụng các trạng thái khác với trạng thái phí cho các hoạt động đọc / ghi.
Đối với những phát triển trong lĩnh vực tính toán lượng tử, tính toán thần kinh cơ và lưu trữ dữ liệu năng lượng cao, các thiết bị spintronic có những tác động tiềm tàng. Các thiết bị này có tốc độ xử lý dữ liệu nhanh hơn và mật độ bóng bán dẫn lớn hơn so với các thiết bị truyền thống.
Spin điện tử
Spin của một electron – một đại lượng lượng tử – tiết lộ về bản chất momen động lượng của electron. Mặc dù không có một đại lượng tương tự trong vật lý cổ điển, nhưng nó nhắc chúng ta về chuyển động quay của hạt trong trục của chính nó thông qua việc so sánh.
Các giá trị có thể hình dung duy nhất cho số tiền này là +1/2 và -1/2, trong đó các dấu hiệu phản ánh hai hướng tiềm năng, có thể là “hướng lên” hoặc hướng lên, hoặc “xuống” hoặc hướng xuống, tương ứng. Do đó, các electron có thể được coi như những nam châm nhỏ quay quanh hạt nhân của các nguyên tố giống như cách Trái đất quay quanh Mặt trời. Mỗi electron có hướng spin riêng biệt của nó đối với hạt nhân, có thể được sắp xếp theo một trong hai hướng.
Spin là một lựa chọn hoàn hảo để mã hóa thông tin vì nó chỉ chấp nhận hai giá trị này, tương tự như cách mã nhị phân sử dụng các bit 0 và 1. Kết quả là, khái niệm spintronics, một dạng điện tử mới, đã được phát triển.
Tương tự như mã nhị phân, trạng thái spin của electron có hai giá trị: lên và xuống, tương đương với “0” và “1”. Những giá trị này cho phép thông tin kỹ thuật số được truyền với tốc độ nhanh hơn tốc độ có thể thực hiện được bằng công nghệ silicon được sử dụng trong các bóng bán dẫn hiện đại và với kích thước vật lý ngày càng nhỏ hơn.
Việc tìm kiếm một vật liệu phù hợp cho PC và điện thoại thông minh dựa trên spintronics và đáp ứng hai yêu cầu — khả năng kiểm soát hướng quay của electron và spin “suốt đời”, hoặc một vòng đời, đủ dài để cho phép thông tin đi qua — đã được chứng minh là khó cho đến nay.
Vật liệu phản sắt từ
Để thực hiện công nghệ của các hệ thống dựa trên spintronics, có một loại vật liệu duy nhất (phản nam châm) có từ trường tương tác bên ngoài yếu hoặc không đáng kể – rất quan trọng đối với việc thu nhỏ các thiết bị bộ nhớ. Các tính chất chính của nam châm về cơ bản là như sau:
- Không nhạy cảm với các trường bên ngoài do từ hóa bên ngoài bằng không.
- Không tương tác với các hạt lân cận.
- Thời gian chuyển mạch ngắn (cộng hưởng phản sắt từ có thứ tự là THz thay vì GHz như trong sắt từ).
- Nhiều loại vật liệu phản sắt từ như chất bán dẫn và chất siêu dẫn.
Một vật liệu thú vị là bán kim loại Mn3Sn. Sự quan tâm ngày càng tăng đối với Mn3Sn là do mặc dù nó không phải là một phản nam châm hoàn hảo, nhưng nó có từ trường bên ngoài yếu. Nhóm các nhà khoa học muốn khám phá xem liệu từ trường yếu này có phải là nguyên nhân gây ra hiệu ứng Hall hay không. Về cơ bản, một tinh thể phản sắt từ với hiệu ứng Hall dị thường gần như không có từ tính.
Hiệu ứng phòng
Hạt mang điện trong hiệu ứng Hall bay theo phương ngang, vuông góc với từ trường ngoài và theo hướng dẫn điện. Hành vi tương tự cũng được thấy trong hiệu ứng Hall dị thường, nhưng không có từ trường bên ngoài nào xuất hiện vì cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu dẫn điện tạo ra từ trường riêng của nó.
Hiệu ứng Hall dị thường cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra các đặc điểm của phản nam châm, bao gồm cả áp từ, kết hợp giữa biến dạng cơ học với cảm ứng mômen từ một cách tự phát.
Một số tinh thể phản sắt từ và sắt từ thể hiện một hiện tượng gọi là áp từ: một mối quan hệ tuyến tính phân biệt nó giữa biến dạng cơ học và phân cực từ của hệ thống. Bằng cách tạo sức căng vật lý lên vật liệu áp từ, người ta có thể gây ra mômen từ tự phát, và bằng cách tạo ra từ trường, người ta có thể gây ra biến dạng vật lý.
Kết quả là, nó cho phép điều chỉnh hai chiều của mômen từ, không giống như hiện tượng ma sát từ. Tương tự như người anh em họ điện của nó, hiện tượng áp điện, hiện tượng này có thể hữu ích về mặt công nghệ nếu nó tăng kích thước ở nhiệt độ môi trường xung quanh.
Theo bài báo của các tác giả được đăng trên tạp chí Nature Physics, “Sự chuyển mạch Piezomagnetic của Hiệu ứng Hall bất thường trong một phản nam châm ở nhiệt độ phòng”, các nghiên cứu về hiệu ứng áp từ chủ yếu chỉ giới hạn ở chất cách điện chống sắt từ ở nhiệt độ lạnh. Nhóm các nhà khoa học trong nghiên cứu mới đây đã phát hiện ra hiện tượng áp từ trong Mn3Sn ở nhiệt độ bình thường.
Bằng cách sử dụng Mn3Sn, họ nhận thấy rằng một ứng dụng của biến dạng đơn trục nhỏ có bậc 0,1% có thể kiểm soát cả dấu hiệu và kích thước của hiệu ứng Hall bất thường.
Thí nghiệm
Thử nghiệm của nhóm nghiên cứu về một nam châm chống từ Weyl cho thấy rằng việc áp dụng ứng suất dẫn đến sự gia tăng từ trường dư bên ngoài.
Điện áp trên vật liệu sẽ thay đổi nếu hiệu ứng Hall do từ trường gây ra. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng, trong thực tế, điện áp không thay đổi đáng kể. Thay vào đó, họ kết luận rằng hiệu ứng Hall là do sự định hướng của các electron quay trong vật liệu.
Mn3Sn duy trì một từ trường ngoài yếu. Các nhà nghiên cứu lưu ý trong bài báo rằng họ đã có thể chứng minh không có ảnh hưởng tương ứng nào đối với điện áp trên vật liệu và kết quả là sự sắp xếp của các electron spin bên trong vật liệu là nguyên nhân gây ra hiệu ứng Hall bất thường.
Bằng cách này, tinh thể phản sắt từ có thể bị biến dạng đơn trục một chút để tinh chỉnh hiệu ứng Hall bất thường, cho phép áp dụng từ tính áp dụng để điều chỉnh hiệu ứng Hall dị thường trong Mn3Sn theo cách khác với từ hóa bằng biến dạng đơn trục (quy ước , kiểm soát chức năng của hiệu ứng Hall dị thường đạt được bằng cách áp dụng một từ trường bên ngoài).
Thí nghiệm, theo các nhà khoa học, chứng minh rằng các tương tác lượng tử giữa các electron dẫn và spin của chúng là thứ tạo ra hiệu ứng Hall. Những phát hiện này rất quan trọng để hiểu và phát triển công nghệ bộ nhớ từ tính.
Thí nghiệm cho thấy sự thay đổi của mạng tinh thể do biến dạng gây ra và kết quả là tính dị hướng của các electron trong một số vật liệu nhất định có thể được sử dụng để điều chỉnh hiệu ứng Hall dị thường.
Đã có một số thiết bị bộ nhớ spintronic được sử dụng. Mặc dù phụ thuộc vào chuyển mạch sắt từ, MRAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ tính) đã được thương mại hóa và có thể thay thế bộ nhớ điện tử. Sử dụng kỹ thuật tương tự như sắt từ trong MRAM, chúng tôi có thể cảm ứng vật liệu phản sắt từ Mn3Sn hoạt động như một thiết bị nhớ đơn giản trong thí nghiệm, chứng minh sự chuyển đổi trạng thái spin trong vật liệu này.
