Graphene và các loại vật liệu 2-D có thể biến “định luật Moore” thành quá khứ

Những tiến bộ về lý thuyết và thực nghiệm thời gian qua, cũng như những phát hiện đột phá trong nghiên cứu điện tử học spin liên quan graphene và các vật liệu hai chiều (2-D) liên quan đã thu hút sự chú ý của mọi người vào một lĩnh vực nghiên cứu và phát triển mới mẻ đầy thú vị.

Spintronics là sự kết hợp giữa điện tử và từ tính, ở cấp độ nano và có thể dẫn đến sự ra đời của những thiết bị điện tử tốc độ cao thế hệ tiếp theo. Các thiết bị spintronic là giải pháp thay thế khả thi cho các thiết bị điện tử nano (nanoelectronic) vượt ngoài khuôn khổ định luật Moore, với khả năng sử dụng năng lượng hiệu quả hơn và ít gây lãng phí hơn so với các thiết bị điện tử truyền thống, vốn dựa vào dòng điện tích. Về lý thuyết, chúng ta có thể tạo ra được những chiếc điện thoại và tablet hoạt động bằng các bán dẫn và chip nhớ dựa trên spin điện tử.

Nghiên cứu được đăng tải trên tạp chí Review of Modern Physics tập trung vào những khía cạnh mới của cấu trúc dị thể (heterostructure) và những hiện tượng liên quan đến chúng.

Có lẽ bạn đã từng biết đến spintronics trên laptop và PC – những thiết bị này đã và đang sử dụng spintronics dưới dạng các cảm biến từ tính nằm trong vùng đọc của ổ đĩa cứng. Những cảm biến này còn được sử dụng trong ngành công nghiệp xe hơi.

Spintronics là một hướng đi mới nhằm phát triển các thiết bị điện tử, trong đó cả các thiết bị nhớ (RAM) và các thiết bị logic (bán dẫn) đều được thiết kế tận dụng "spin" (xoay), vốn là thuộc tính cơ bản của các electron, khiến chúng hoạt động như những nam châm tí hon, cũng như tích điện.

Tiến sỹ Ivan Vera Marun, giảng viên Đại học Manchester, nói rằng: "Những tiến triển liên quan graphene spintronics, và nói rộng hơn là các cấu trúc dị thể 2-D, đã cho phép chúng ta tạo ra, vận chuyển, và phát hiện thông tin spin bằng các hiệu ứng mà trước đây chỉ dùng graphene thôi là không thể tiếp cận được".

"…Chúng tôi tin rằng trong tương lai, sự chuyển vận spin sẽ được thực hiện trong các cấu trúc dị thể 2-D, kể cả ở nhiệt độ phòng. Sự chuyển vận như vậy sẽ cho phép tận dụng những đặc tính cơ học lượng tử của các chức năng sóng điện tử, mang spin vào các vật liệu 2-D để sử dụng trong các thiết bị điện toán lượng tử tương lai".

Việc kiểm soát được sự chuyển vận spin trong graphene và các vật liệu 2-D đã và đang mở ra những ứng dụng mới đầy hứa hẹn trong các thiết bị điện tử, đặc biệt là những cấu trúc dị thể tùy biến – những cấu trúc dị thể van der Waals – có chứa nhiều dãy vật liệu 2-D sắp xếp theo một thứ tự được kiểm soát một cách chính xác. Nghiên cứu lần này mang lại cho chúng ta một cái nhìn tổng thể về lĩnh vực nghiên cứu graphene spintronics và làm rõ những lý thuyết cũng như thực nghiệm liên quan lĩnh vực này.

Hàng tỷ các thiết bị spintronics như các cảm biến và chip nhớ đang được sản xuất. Mọi ổ đĩa cứng đều có một cảm biến điện từ sử dụng dòng spin, và các chip RAM từ tính cũng đang ngày càng phổ biến hơn.

Trong thập kỷ qua, người ta đã đưa ra được những kết quả thú vị trên lĩnh vực graphene spintronics, và qua đó tiếp tục thực hiện những nghiên cứu tiếp theo nhằm mở rộng sang những hợp chất 2-D mới.

Kể từ khi được phát hiện vào năm 2004, graphene đã mở ra cánh cửa cho các vật liệu 2-D khác. Các nhà nghiên cứu từ đó đã có thể sử dụng những vật liệu này để tạo nên những dãy vật liệu 2-D gọi là các cấu trúc dị thể. Chúng có thể kết hợp với graphene để tạo ra những vật liệu thiết kế mới, nhằm sản xuất ra những thiết bị mà trước đó chỉ có trong các tác phẩm khoa học viễn tưởng.

Giáo sư Francisco Guinea, đồng tác giả nghiên cứu, nói: "Lĩnh vực spintronics, các đặc tính và ứng dụng spin trong vật liệu đã mang lại một loạt các khái niệm mới mẻ trong nghiên cứu các loại chất rắn. Nghiên cứu về các khía cạnh nền tảng của chuyển động của các electron mang spin là một trong nhưng lĩnh vực sôi động nhất trong vật lý về vật chất đặc".

Danh tính và đặc tính của các vật liệu lượng tử mới với các điện tử cấu trúc liên kết bất thường và các tính chất từ tính  đang được nghiên cứu ngày càng nhiều trên toàn cầu sau khi khái niệm chất cách điện tô-pô được hình thành vào năm 2004. Spintronics nằm ở trung tâm của cuộc tìm kiếm này. Bởi sự tinh khiết, độ bền, và tính chất giản đơn của chúng, các vật liệu 2-D là nền tảng tốt nhất để tìm kiếm những tính năng tô-pô độc nhất liên quan đến vật lý, điện tử, và từ tính lượng tử.

Nhìn chung, lĩnh vực spintronics trong graphene và các vật liệu 2-D liên quan hiện đang tiến nhanh về phía trước, với các thiết bị graphene spintronics như máy dao động nano dành cho các ứng dụng trong lĩnh vực giao tiếp trong không gian, liên kết sóng radio tốc độ cao, radar xe hơi, và các ứng dụng liên lạc interchip.

Tham khảo: Phys.org