Tuyển tập những bài báo hay về vật lý học năm 2008 potx

TUYỂN NHỮNG BÀI BÁO HAY

hiepkhachquay






Kiên Giang, tháng 12/ 2008

Physics World 2008

Tài liệu phát hành tại o
và
MỤC LỤC


Trang
Bí ẩn hoa tuyết 1
Công nghệ spin vẫy gọi 11
Kĩ thuật ảnh giao thoa ba chiều thông minh 21
Công nghệ phonon đang nóng dần 32
Đi tìm những người kĩ sư vũ trụ 39
Kiến trúc phòng thí nghiệm 47
GLAST chuẩn bị rời bệ phóng 52
Soi rọi sự sống 58
Thời kì phục hưng lượng tử 73
Một tia sáng trong bóng đêm ? 88
Nghìn con mắt săm soi vũ trụ 95

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.

2 o | © hiepkhachquay

Khó khăn chính là s tăng trưng tinh th là mt bài toán phc tp thuc ng lc hc
phân t. S phát trin vĩ mô và hình thái hc ca mt tinh th - tc là nó có hình thành các mt
hay không, nó ln lên bao nhanh dưi nhng iu kin khác nhau, và nó phát trin thành mt ơn
tinh th ln hay là nhiu tinh th nh hơn – b chi phi bi cách thc chính xác mà các nguyên t
thành phn chen Ny vào nhau khi chúng ông c li. Trong khi bài toán tĩnh ca cu trúc tinh
th tương i d, thì bài toán ng lc hc ca s tăng trưng tinh th thì tht khó nên cho n
nay chúng ta không th d oán hành vi tăng trưng ca c nhng tinh th tương i ơn gin –
trong ó có băng tuyt.

S a dng tinh th. Các tinh th tuyt t nhiên có v a dng v hình thái hc hay hình dng ca chúng. Các hoa
tuyt hình sao (hàng trên, t trái sang phi) gm nhng tinh th bn hình sáu cnh ơn gin có vt b mt; các tinh
th “bn hình qut”, trong ó các nhánh dng tm ưc trang hoàng vi nhng chóp c bit; các tinh th hình cây
sao vi s phân nhánh mt va phi; và tinh th dng cây sao “kiu dương x” vi hàng lot nhánh  bên. Các hoa
tuyt hình ct (hàng dưi, t trái sang phi) bao gm nhng tinh th hình tr rng ơn gin; các cm kim; và các tinh
th “ct i mũ” trong ó các bn sao mng (nhìn ngang trong hình cui bên phi) ln lên  hai u ca các ct cng
cáp hay các cm hình kim.


 làm sáng t phm vi thiu hiu bit ca chúng ta, bn cn không gì hơn mt kính
phóng i và mt cơn mưa tuyt nh. S a dng ca các tinh th tuyt mà bn s thy tht là
khác thưng (xem nh S a dng tinh th). Chng hn, có th ban u bn gp các hình thái
phc tp, phân nhánh ca các tinh th tuyt hình sao, v cơ bn chúng là nhng bn mng tinh vi
mng hơn khong 50 ln so vi chiu rng ca chúng. Trong mt cơn mưa tuyt khác, bn có th
tìm thy ch yu là các ct hình sáu cnh mnh mai và hình kim có l dài gp 20 ln chiu dày
ca chúng. Làm th nào nhng dng thái khác nhau như th có th phát sinh t cùng mt cht ?
Nhng ct, kim, hay bn hình sao rơi t nhng ám mây xung ban u dưi dng mt
lăng tr lc giác ơn gin – dng cơ bn nht ca tinh th tuyt – ưc xác nh bi hai mt “cơ
s” và sáu mt “lăng tr”. Hình dng sáu cnh này, mang li cho tinh th tuyt s i xng sáu

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

“không gian hình thái” cao chiu hơn nhiu. Chng hn, ngưi ta cũng có th thêm vào mt trc
thi gian, trc cho thy tinh th tr nên ln hơn và phc tp hơn theo thi gian, hay mt trc biu
din áp sut cht khí. Vào năm 1975, Takehiko Gonda ti i hc Khoa hc Tokyo nhn thy
rng các tinh th băng tuyt ln lên trong mt cht khí chm áp sut thp mang li các lăng tr
ơn gin, còn áp sut cao hơn mang li nhng tinh th phc tp hơn. Mt mô hình toàn din ca
s tăng trưng tinh th băng tuyt có th gii thích mi chiu ca không gian hình thái hc, nhưng
nhiu phn cn thit ca mt mô hình như th vn còn thiu. Kt qu là nghiên cu ca chúng ta
v cơ s vt lí ca hình thái hc tinh th băng tuyt vn là mt công vic ang trin khai.
Biu  hình thái hc cho thy rõ ràng rng s trưng thành tinh th băng tuyt ph thuc
nhiu vào nhit  và  Nm, và iu này gii thích ti sao các tinh th tuyt dng sao phát trin
4 o | © hiepkhachquay

nhng cu trúc va phc tp va i xng. Khi mt tinh th ang ln rơi qua các ám mây, nó
gp phi nhit ,  Nm và nhng iu kin khác nh hưng n s trưng thành ca nó. ưng
i nht nh ca mt tinh th qua bu khí quyn thay i tht thưng xác nh dng cui cùng ca
nó, nên không có hai tinh th nào trông ging ht như nhau. Tuy nhiên, sáu cánh tay ca mt tinh
th ơn gin u i ging nhau, nên chúng u ln lên ng thi. Vì s tăng trưng rt nhy vi
nhit  và  Nm nên mi tinh th ang rơi phát trin mt cu trúc c nht vô nh và phc tp
vi s i xng có th nhn ra ưc.

Biu  hình thái hc.
Các bông hoa tuyt có th ưc mô t c trưng bng biu  hình thái hc tinh th tuyt, biu  biu din hình
dng tinh th theo mt hàm ca nhit  (trc x) và  Nm (trc y) trong ó chúng trưng thành.  ây, trc  Nm
tht ra là  quá bão hòa – mt  hơi nưc vưt quá  Nm 100%. ưng bão hòa hơi nưc (màu xanh) biu din 
quá bão hòa tìm thy  mt ám mây git nưc nh rt nng. S ph thuc kch tính ca hình thái hc tinh th tuyt
vào nhit  cho n nay vn chưa ưc gii thích.
Sự phát triển khuếch tán hạn chế

S phc tp nhìn thy  tinh th băng tuyt rt cuc phát sinh do cách các phân t nưc
chuyn hóa thành nó. Khi mt tinh th trưng thành, không khí xung quanh b rút ht hơi nưc,

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

kính. Do ó, i vi mt h cho trưc, chúng ta cn thêm cơ s vt lí khác na ngoài phương
trình khuch tán mi có th chn mt li gii ơn gin, t nhiên t nhóm li gii Ivantsov. ây
hóa ra là mt vn  có phn ngc nhiên ph thuc vào các chi tit ng lc hc phân t trong
quá trình ông c. Hiu ng vĩ mô có th o ưc d dàng này – vn tc u nhn ca mt dng
cây ang ln lên – còn ph thuc vào cơ s vt lí phc tp  mc  phân t.
Các tinh th băng tuyt ln lên trong in trưng cao còn cho thêm mt s sai lch lí thú
khi vi nhóm li gii Ivantsov cho s trưng thành khuch tán hn ch. Khi to ra mt tinh th
băng tuyt hình cây cô lp  cui dây, ngưi ta có th d dàng làm cm ng hành vi tăng trưng
kì l bng cách t vào mt hiu in th cao. Vì có mt dòng in không áng k trong không
khí xung quanh, nên b mt băng tuyt nhanh chóng tr nên tích in. Kt qu là các gradient
trưng cao  gn u nhn cây nhim in làm tăng s khuch tán ca các phân t nưc có cc,
do ó hút các phân t vào và làm tăng tc  ln lên. (S tăng trưng cũng b nh hưng theo
nhng cách quan trng bi nhng thay i cm ng in trong áp sut hơi cân bng).
6 o | © hiepkhachquay

Vic ưa nhng hiu ng này vào trong lí thuyt hình cây bình thưng mang li mt loi
bt n nh tăng trưng mi, nh ó bán kính u nhn tr nên nh hơn áng k và tinh th hình
kim ln lên nhanh hơn rõ rt trên hiu in th ngưng. V mt thc nghim, hin tưng này có
th mang li các tinh th “hình kim in” vi bán kính u nhn nh c 100 nm và tc  tăng
trưng nhanh gp 10 ln so vi hình cây thông thưng. Các tinh th băng hình kim ln lên bng
in này mang li ct tr có ích cho vic nuôi các tinh th băng tuyt cô lp trong phòng thí
nghim, nh ó cho phép chúng ta tin hành nhng phép o iu khin ưc v ng lc hc tăng
trưng tinh th băng. Mt khi tinh th hình kim ã ln lên và hiu in th t vào ưc ngt khi,
thì s tăng trưng bình thưng bt u và mt tinh th kiu bn ơn gin hay kiu ct tr hình
thành  cui u kim (xem hình Băng in). Như th, tinh th băng hình kim mng chng  tinh
th ang ln ng thi làm xáo trn s phát trin ca nó.
Hoa tuyết kĩ thuật số

Mc dù nhiu nghiên cu ã ưc thc hin trong vic phát trin mt lí thuyt phân tích
s tăng trưng hình cây da trên các li gii Ivantsov, vic lp mô hình s là cn thit  tái to

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

rt nhiu, vì ng lc hc b mt có tính d hưng cao.
Năm 2006, các nhà toán hc David Griffeath ti i hc Wisconsin và Janko Gravner
thuc i hc California  Davis, c hai u  Mĩ, ch ra rng t bào t ng c bit mnh m
trong vic gii bài toán s tăng trưng tinh th băng tuyt. S d hưng ni ti ca mng lưi t
bào-t ng, trên ó tng t bào là c nh, dưng như làm n nh s truyn các sai s dng s,
mc dù chính xác thì iu này hot ng như th nào vn chưa ưc bit rõ. S dng phương
pháp này, Griffeath và Gravner có th to ra các tinh th băng tuyt gi cách u tiên biu hin
dng thc phc tp vi s phân nhánh và phân mt thc s (xem hình Mô hình tinh th). Cơ s
vt lí b mt trong nhng mô hình này vn là th không theo th thc, nhưng nghiên cu mi ây
này có v mang li câu tr li tìm kim lâu nay cho câu hi làm th nào ngưi ta có th gi cách
s tăng trưng ca cht rn vi ng lc hc tăng trưng d hưng cao.
Sự tinh vi của bề mặt

Rào cn ln nht ngăn tr các nhà nghiên cu xây dng mt mô hình toàn din ca s
hình thành tinh th băng tuyt là bit chc chn tc  các phân t nưc ông c ti b mt băng.
Câu hi này là sng còn vì tc  tăng trưng bin thiên ca các mt cơ s và mt lăng tr rt
cuc là cái xác nh s ph thuc nhit  nhìn thy  biu  hình thái hc. Tht áng tic, t
trưc n nay không ai tng o ưc tc  tăng trưng này vi  chính xác thích áng, chúng
ta cũng không có mt mô hình b mt băng cho phép tính ưc tc  ông c.

Li mt ln na, ng lc hc phân t chi tit ca băng khin tht khó quan sát và lp mô
hình b mt ca nó.  nhit  gn im ông c, chng hn, các phân t nưc trong không khí
bn phá b mt  tc  mà mt lp phân t băng s ưc lng nên trong tng mili giây nu như
các phân t va chm u dính vào b mt. S dng các mô phng ng lc hc phân t  lp mô
hình s tăng trưng ca nhng b mt b kích ng như th tht không kh thi, và các chuyn
ng phân t quá nhanh  có th ghi nh bng kĩ thut hin vi quét.
8 o | © hiepkhachquay

May thay, ngưi ta không cn phi hiu thu áo tng chi tit ca ng lc hc b mt 
lp mô hình hành vi tăng trưng. Như trưng hp thưng s dng trong nghiên cu vt lí vt cht

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

C, trái ngưc hoàn toàn vi
hàng lot quan sát. Vi nhng s liu mi này, chúng ta ch mi ào sâu thêm bí Nn ca biu 
hình thái hc: không nhng chúng ta không th gii thích nhng s thay i hình thái theo nhit
, mà nay chúng ta còn không th gii thích tha áng s hình thành ca các bn mng ch ti
mt nhit  mà thôi !
Có vài cách hóa gii nhng quan sát khác nhau này. Mt kh năng là ng hc lp ráp b
tác ng mnh bi s có mt ca không khí ti b mt băng, chúng b b qua trong nhng phép
o tăng trưng ca chúng ta. Mt kh năng khác là ng hc lp ráp ph thuc vào chính cu trúc
b mt, nên s tăng trưng ca các mt ln khác vi các cnh hp ca nhng tinh th kiu bn.
Tht áng tic, nhng  xut này và  xut khác u mang tính suy oán, và tính cho n nay
không có  xut nào xut hin là li gii thích úng n ca các b s liu mâu thun nhau. S
phc tp vi mt hin tưng ơn gin như th - s tăng trưng ca các tinh th băng kiu bn,
mng – có th quá khó hiu. Ít nht là hin nay chúng ta vn còn li ó s tht không an tâm là
chúng ta không có kh năng gii thích, cho dù là  mc nh tính, mt s trong nhng c trưng
cơ bn nht ca các bông hoa tuyt.
Câu đố kết tinh

Theo nhiu nghĩa, s tăng trưng ca các tinh th tuyt là mt trưng hp nghiên cu xut
sc trong nhng vn  khái quát ca ng lc hc tăng trưng tinh th. Băng là mt cht ơn
phân t, tương i ơn gin vi các tương tác ni phân t ã ưc mô t rõ ràng, và các tinh th
băng ang ln lên t hơi nưc tht d thc hin và không tn kém. Nhưng, c nhng thí nghim
ơn gin mang li s a dng phong phú ca các hình thái thú v vn không d dàng gì hiu ưc.
Vic gii thích các tinh th băng tuyt ln lên như th nào liên quan n nhiu quá trình t
nhiên xy ra  nhiu cp  quy mô chiu dài.  kích thưc nh, thách thc là vic phát trin
ng lc hc phân t ca các b mt ang ln và tìm hiu xem các quá trình b mt bin i như
th nào theo nhit  và các thông s khác.  kích thưc ln hơn, ngưi ta phi mô t s truyn
nhit và các ht thông qua s khuch tán và các dòng chy kích thưc ln.  lp mô phng
thành công các hình thái, ngưi ta phi phát trin các kĩ thut tính toán hp nht cơ s vt lí có
liên quan  mi kích thưc này. Hơn na, mt lưng nh cht khí hot tính hóa hc ưc tìm thy
làm bin i t ngt s hình thành tinh th tuyt, ngoài các xu hưng hóa hc chưa ưc kh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

hc ca các ht cơ bn phù hp vi các nguyên lí ca thuyt tương i c bit ca Einstein ln lí
thuyt cơ hc lưng t va mi hình thành. Năm 1927, Erwin Schrödinger ã vit ra phương trình
cơ lưng t ca chuyn ng cho electron, nhưng phương trình này không k n thc t các
electron là nhng ht tương i tính. Băn khoăn trưc tình cnh này, Paul Dirac ã i tìm mt li
gii.


Bác sĩ spin. Pha tp gallium arsenide vi các nguyên t mangan mang li cho cht bán dn các
tính cht st t, nh ó cho phép s dng nó làm dng c bơm spin.

12 o | © hiepkhachquay

Phương trình Dirac thu ưc vào năm sau ó là mt thành tu toán hc, nó tiên oán hai
hin tưng t nhiên hoàn toàn không ng trưc. Th nht là s tn ti ca các phn ht, chúng
ưc chng minh vào năm 1932 vi s khám phá ra positron (phn electron). Th hai là electron
phi có mt xung lưng góc ni ti hay “spin” ch có hai nh hưng kh dĩ trong mt t trưng
ngoài: sp thng hàng vi trưng, hay “up”; và sp ngưc li, hay “down”.

Electron nm  tâm im ca cuc cách mng vi in t hc, nơi nó chy loanh quanh
như con thoi trong các cht bán dn (thưng là silicon) cho phép transistor và nhng dng c khác
như th hot ng. Nhưng nhng dng c này – chúng là cơ s cho mi th t lò vi sóng cho n
nhng con tàu thăm dò vũ tr - ch khai thác in tích ca electron, trong khi ã 70 năm sau khám
phá mang tính t phá nn tng ca Dirac, spin ca electron vn b phn ln b qua bi nn công
nghip dng c và bán dn.
Mt nguyên nhân cho iu này là s thành công phi thưng ca các dng c thu nh.
Trong vòng 40 năm, s transistor trên ơn v din tích có th khc axit lên mt con chip silicon –
yu t, ví d, chi phi công sut x lí ca máy tính – ã tăng lên gp ôi mi 18 tháng mt ln,
mt xu hưng ưc gi là nh lut Moore. Nhưng ngày nay chúng ta ang nhanh chóng tin ti
gii hn ca mc  nh và gn mà nhng transistor này có th nhi nhét trưc khi nhit do
chúng thi ra không tiêu tán  nhanh, hay các hiu ng cơ lưng t không mong mun ngăn cn

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

transistor spin mn bên (hình  trên bên phi), các electron phân cc spin ưc bơm t mt ngun st t vào mt
kênh bán dn hp (màu vàng) trong ó các spin electron ch có th chuyn ng trong hai chiu.  ây, spin có th
chuyn gia up và down bng mt t trưng t vào hay mt cng in th, do ó xác nh dòng spin ra trong cht
“thu” st t. Mt cách tip cn khác là transistor spin ơn electron (hình dưi bên trái), trong ó mt ngun st t
bơm mt electron phân cc vào mt cu trúc nano bán dn gi là chm lưng t, trong ó trng thái spin ca nó – và
do ó là dòng in ra  cc thu st t - ưc iu khin bng cng in th t vào. Mt thit k th ba cho transistor
công ngh spin là transistor ưng hm t (hình dưi bên phi), trong ó các electron bơm vào ưc lcph thuc
vào spin ca chúng khi chúng chui hm qua mt lp cách in mng (màu ), như xy ra trong tip giáp ưng hm
t, trưc khi i qua hàng rào Schottky. Dòng in ra trong cht bán dn “collector” do ó có th iu khin bng cách
thay i s thng hàng spin ca các lp st t “emitter” và “base”.
Thành tựu to lớn

Spin electron là mt món hàng ln nm ngoài nn công nghip bán dn. Tht ra, các dng
c công ngh spin trên nn kim loi có th tìm thy trên các  ĩa cng ca hu ht tng máy vi
tính trên hành tinh này. Năm 1988, Peter Grünberg ti Trung tâm Nghiên cu Jülich  c, và
Albert Fert ti i hc Paris-Sub  Pháp, c lp vi nhau, ã khám phá ra rng dòng electron
phân cc spin gia hai lp mng kim loi st t cách nhau bi mt lp kim loi phi t tính có th
tăng lên khong 3% bng cách thay i s thng hàng t tương i ca các lp st t i song
sang song song – khám phá ã mang li cho h gii Nobel Vt lí năm 2007. Hiu ng này – gi là
t tr khng l (GMR) – làm cho có th ch to các u c t ca  ĩa cng nhy hơn nhiu vi
nhng s thay i t trưng, nâng cao dung lưng lưu tr bi cho phép thông tin có th lưu tr
trong nhng vùng nh hơn nhiu trên mt ĩa.
14 o | © hiepkhachquay


Tip giáp chui hm t tính.
Tip giáp chui hm t tính, gm hai lp st t (màu xanh) cách nhau bi mt lp in môi (màu ), khai thác t tr
chui hm (TMR) chuyn dòng spin ra gia cao và thp. Như vy, dng c có th s dng làm b nh lưu tr thông
tin c khi ngun cp tt i. Khi s t hóa ca hai lp t tính là song song, các electron spin up có th chui hm qua
rào chn vì nhiu trng thái không b chim gi có sn trong lp st t th hai (hình trên). Tuy nhiên, khi hai lp là

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

và ôxit ã cho phép nhóm ca Stuart Parkin ti Trung tâm Nghiên cu Almaden  California, và
Shinji Yuasa và các ng s ti AIST  Nht Bn c lp nhau thu ưc các giá tr TMR khong
400% qua s chui hm kt hp. Các mng MRAM thương mi trên nn TMR bt u có mt trên
th trưng, và nhng dng c này có th mt ngày nào ó ưc s dng  ch to các máy tính
cá nhân bt m ngay tc thì.
TMR da trên mt s lưng ln electron vi trng thái spin mong mun truyn qua mt
phân gii gia các kim loi st t và ôxit kim loi cách in. Tuy nhiên,  có kh năng sn xut
các dng c công ngh spin bán dn, chúng ta phi thu ưc hành vi như th qua mt phân gii
hình thành gia mt cht bán dn và mt cht có th m nhn vai trò máy bơm spin hay máy dò.
Sức hút từ tính

Silicon và gallium arsenide là hai cht bán dn ưc s dng rng rãi nht, nên thách thc
là vic tìm các cht phân cc spin – tc là các cht trong ó a s spin electron sp thng hàng
theo mt hưng nht nh – có th kt hp vi chúng. ng c viên trin vng là “các cht bán
dn t loãng” (DMS) – các cht bán dn, khi pha ln vi tp cht, biu hin tính st t.
Năm 1999, hai nhóm nghiên cu c lp ã bơm các electron phân cc spin t mt cht
bán dn t tính vào gallium arsenide. Laurens Molenkamp và các ng s ti i hc Würzburg,
c, duy trì ưc s phân cc 90% trong quá trình bơm spin t mt cht bán dn phân cc spin
vào mt cu trúc gallium arsenide  nhit  thp, mc dù cht bơm bán dn cn mt t trưng
ngoài  duy trì s phân cc ca nó. Nhóm ca Hideo Ohno  Tohoku, Nht Bn, hp tác vi
nhóm ca David Awschalom ti i hc California, Santa Barbara, mt khác, ã làm ch ưc kì
công tương t t mt DMS “ích thc” không òi hi mt t trưng t vào, mc dù các nhà
nghiên cu ch thu ưc s phân cc spin bơm vào khong 1%. Cùng vi nhau, hai thí nghim
này chng minh rng có th bơm spin vào mt cht bán dn; nhm phát trin mt dng c thc t,
bưc tip theo là tìm các cht DMS cho phép bơm spin mnh  nhit  phòng vi các trưng t
vào va phi (hay bng không).
Vào năm 2000, Thomas Dietl thuc Vin Hàn lâm Khoa hc Ba Lan  Warsaw ã thc
hin mt t phá quan trng theo khía cnh này. Ông ã ch ra rng nhit  (Curie) cao nht mà
16 o | © hiepkhachquay

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

17 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

có th làm tán x các electron vào nhng trng thái mi và do ó làm gim căn bn lưng electron
khin nó i qua mt phân gii ng thi vn gi nguyên s phân cc. Tht khó iu khin tính
cht ca các cht DMS trong khi cht hình thành, và còn khó hơn na khi cht ó lng trên mt
màng mng, như òi hi khi ch to dng c. Vic thu ưc mt phân gii rõ ràng gia các cht
DMS và cht bán dn, do ó, ưa ra mt th thách áng k cho các nhà nghiên cu c gng ch
to các dng c công ngh spin trên nn DMS.
Giấc mộng chui hầm

Tuy nhiên, có mt s la chn và mt phương pháp khác v cơ bn  thu ưc s bơm
spin. Trong khi nhiu nhà nghiên cu tp trung vào các cht DMS, thì nhng ngưi khác gii
thích rng nu các electron phân cc spin có th truyn qua mt phân gii gia mt cht bán dn
và mt kim loi t tính, thì khi ó kim loi ó có th s dng làm b phân cc spin hiu qu cao.
Hơn na, vì mt phân gii kim loi ã ưc nghiên cu trong hàng thp k, nên tht là d hơn
nhiu vic iu khin tính cht mt phân gii trong nhng cu trúc dng c như th.
Vào cui thp niên 1990, mt vài nhóm nghiên cu ã th bơm các electron phân cc spin
t các kim loi và hp kim t tính lng trc tip lên gali arsenide, nhưng nhng nghiên cu sơ
khai này thu ưc s phân cc bơm ch vài ba phn trăm. Mt lung gió khác thi vào ý tưng ó
ã ưc thc hin trong năm 2000, khi Georg Schmidt và các ng s ti i hc Würzburg s
dng mt mô hình ơn gin ca mng in tr ch ra rng s phân cc spin gn như 100% là cn
thit trong kim loi t tính  bơm s phân cc spin hu ích vào trong cht bán dn. Nhng s
phân cc cao như th không th nào thu ưc trong thc t, nên trong mt thi gian ngn hình
như các cht bơm spin bán dn là phương pháp duy nht  tip tc nghiên cu.
Tuy nhiên, quan im này chuyn hưng hu như ngay lp tc, khi Emmanuel Rashba ti
MIT nhn ra rng vic to ra mt hàng rào chui hm gia kim loi t tính và cht bán dn s gii
quyt ưc bài toán ó. Ông tiên oán rng s phân cc spin trong kim loi dn s bo toàn trong
khi chui hm, và do ó máy bơm spin rào-chn-kim-loi-st-t tương t như mt tip giáp ưng
hm t tính. Sau bưc phát trin này, mt n lc chung ã ưc thc hin nhm nghiên cu s
phân cc spin bơm vào trong cu trúc kim loi st t gali arsenide. Trong nhng cht như th,

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

này là o ngưc quá trình cho phép spin-LED hot ng (xem hình Bơm quang điện và phát
hiện). Khi ri ánh sáng phân cc vào cu trúc lai kim loi st t - hàng rào Schottky – gali
arsenide, nhiu electron phân cc spin ưc phát ra bên trong cht gali arsenide (thông qua các
quy lut quang lc la i vi cht bán dn này). Nhng electron này sau ó có th chui hm tr
li qua hàng rào Schottky vào kim loi st t, nơi chúng có th ưc phát hin v mt in, nên
mang li mt phương pháp phát hin spin electron. Năm 2004, nhóm ca chúng tôi  Cambridge
ã s dng mt cu trúc như th biu hin hiu ng này to ra in th ph thuc vào phn trăm
s electron trong kim loi st t b phân cc.
K t ó, chúng tôi nhn thy rng bng cách thay th lp ơn kim loi st t bng mt
van kim loi GMR (tc là hai lp mng kim loi st t cách nhau bi mt lp mng kim loi phi
t tính), thì dòng in chy vào kim loi có th ưc xác nh tách bit vi dòng in chy vào
19 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

cht bán dn, vì van óng vai trò như mt cng bt m dòng in chy vào kim loi là on hay off
theo s sp thng hàng t tính ca các lp ca nó. S dng van spin theo kiu này cho phép chúng
ta nh lưng hiu ng lc la spin ca mt phân gii; và do ó ưc tính  phân cc ca dòng
in phát hin ưc.
Vấn đề mặt phân giới

Chúng ta ang  vào thi im 6 năm sau nhng tiên oán ca Dielt rng nhit  Curie
ca các cht DMS nht nh phi tăng áng k theo s pha tp st t. Nhưng cho n nay vn
chưa có ai tìm thy các cht bán dn st t thích hp hot ng  nhit  phòng và có th s
dng trong các dng c công ngh spin bán dn thc t. Tuy nhiên, trong khi n lc phát trin
công ngh spin trên nn DMS tip din, thì s phát trin ni bt ca công ngh tip giáp ưng
hm t tính ã mang li s thúc Ny to ln cho vic s dng kim loi st t kt hp vi cht bán
dn. Trong khi các kim loi chuyn tip st t không mang li s phân cc spin 100%, thì iu
này không cn thit i vi các dng c thc t: nhng tiên oán lí thuyt  xut rng bng cách
iu khin cu trúc mt phân gii và thành phn, và s dng nhng hàng rào thích hp, các h
kim loi st t tương lai có th mang li s tăng ngon mc  s truyn spin trên các cht
bơm/phát hin ã th t trưc n gi.

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

646

B T Jonker and M E Flatté 2006 Electrical spin injection and transport in semiconductors
Nanomagnetism (ed) D L Mills and J A C Bland (Elsevier, Amsterdam) pp227–272
H Ohno et al. 2000 Electric-field control of ferromagnetism Nature 408 944
S A Wolf et al. 2001 Spintronics: A spin-based electronics vision for the future Science
294 1488
I Zutic et al. 2004 Spintronics: fundamentals and applications Rev. Mod. Phys. 76 323

Tony Bland, Kiyoung Lee và Stephen Steinmüller,
Phòng thí nghim Cavendish, i hc Cambridge, Anh
hiepkhachquay dch
Ngun: The spintronics challenge (Physics World, tháng 1/2008)
An Minh, ngày 12/01/2008, 13:58:14

21 Tuyn Physics World 2008 | © hiepkhachquay

Kĩ thut nh giao thoa ba chiu thông minh
Chris Lowe, Cynthia Larbey
Kĩ thuật chụp ảnh giao thoa ba chiều phản ứng với tác nhân lí, hóa và sinh đang mang lại
những phép thử chn đoán mới với các ứng dụng đa dạng từ hàng không cho tới y khoa, như
Chris Lowe và Cynthia Larbey mô tả sau đây.
Ít nht là 6% nn thương mi th gii, tương ương vi chng 200 t ô la mi năm, có
liên quan ti các sn phNm gi mo. Nhưng con s này thm chí s còn cao hơn nu như không có
kĩ thut nh giao thoa ni. ưc phát minh cách ây 50 năm, kĩ thut nh giao thoa ni mang li
các nhãn xác nhn chng sao chép, và có th tìm thy  mi nơi t th tín dng, h chiu và giy
bc cho n hàng tiêu dùng, m phNm và dưc phNm. Kĩ thut nh giao thoa ni cũng là cơ s cho
máy quét dùng  siêu th và máy hát ĩa CD; nó còn ưc s dng  lưu tr d liu quang 3D.
Tuy nhiên, hin nay kĩ thut nh giao thoa ni ang biu hin chúng là công c chNn oán r tin
mnh m nht, chúng có th có nhiu ng dng, nht là trong hóa sinh hc.

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

chúng có th ưc ch to bng nhng kĩ thut ã có t vi in t hc, công nghip in n và nhip
nh. Tht vy, sn phNm u tiên như th - mt b cm bin có kh năng phát hin ra lưng nh
nưc trong nhiên liu máy bay – sp ưc tung ra bi Smart Holograms, mt công ti tách lp t
Vin Công ngh sinh hc ti i hc Cambridge  Anh.
Phản trực giác và đầy trở ngại
Lí thuyt cơ s cho kĩ thut nh giao thoa ni ưc phát trin vào năm 1947 bi nhà vt lí
sinh quán Hungary Dennis Gabor, nh ó ông ưc trao gii Nobel Vt lí năm 1971. Khám phá
ca Gabor ưc thc hin tình c trong khi c gng ci thin  phân gii ca kính hin vi in t,
và lúc y nó không h có ng dng khác nào ưc bit. Tht vy, tháng 9 năm 1948, t ew York
Times ã mô t kĩ thut nh giao thoa ni là “mt tm thm thêu v lai tái to mt cách huyn bí
hình nh thoát ra ca không khí mng”, và mãi cho ti cui nhng năm 1950 thì kĩ thut ó b
cho là “phn trc giác và y tr ngi”, thuc v “thc tin mơ h”, và thm chí rõ ràng là “mt
chú voi trng” ! Quan im ó ã dn thay i.
Kĩ thut nh giao thoa ni là ghi li mu giao thoa quang hc gia các sóng ánh sáng. 
làm phát sinh nh giao thoa ni, hai chùm ánh sáng kt hp – gi là chùm vt và chùm tham chiu
– ưc làm cho chng cht trong mt cht nhy quang như polymer quang hay nhũ tương hp
cht halogen bc. Chùm vt truyn ra t vt và vì th mang thông tin v nó, còn chùm tham chiu
dùng  ghi nh giao thoa ni. Mu giao thoa quang hc ưc lưu tr t nhiên dưi dng s bin
i  hp th, chit sut hay b dày ca cht ghi nh – hưng nó vào mt cách t nhiu x cha