Phát triển thành công “spin transitor” đầu tiên

Gần đây, các nhà khoa học Hàn Quốc đã chế tạo thành công linh kiện điện tử thế hệ mới có tên là “spin transitor”.

Hiệu suất của các thiết bị lưu trữ dữ liệu điện tử như bộ nhớ bán dẫn hay CPU (thiết bị xử lý trung tâm) của một máy tính được quyết định bởi con chip bán dẫn (transitor chip).

Hoạt động của CPU và các thiết bị bán dẫn được xác định dựa trên lượng dữ liệu mà chip bán dẫn có thể lưu trữ với kích cỡ nhỏ nhất có thể. Tuy nhiên, nếu độ lớn của transitor bị giảm đi quá nhiều, nó sẽ phát ra một dòng điện tự do, cản trở hoạt động riêng của transitor. Do đó, nhiều công ty đang tập trung nghiên cứu chế tạo một loại transitor mới có thể hoạt động mà không cần quan tâm đến kích cỡ.

Chuyển một bit dữ liệu bằng một electron

Ảnh: KBS World

Gần đây, các nhà khoa học Hàn Quốc đã chế tạo thành công linh kiện điện tử thế hệ mới có tên là “spin transitor”. Một transitor hiệu ứng trường spin, kiểm soát phương hướng spin của các hạt, là một đột phá trong lĩnh vực điện tử học spin. Không giống các thiết bị bán dẫn truyền thống chỉ kiểm soát được dòng điện, spin transitor mới có thể sử dụng spin của các hạt chuyển động quanh hạt nhân. Sử dụng phương hướng spin của các electron, một electron có thể gửi một bit dữ liệu. Nếu thương mại hóa, transitor hiệu ứng trường spin có thể được sử dụng để chế tạo những thiết bị nhanh gấp 100.000 tốc độ flash memory đồng thời rút ngắn năng lượng tiêu thụ đến 10.000 lần. Spin transitor không chỉ giúp ích cho việc phát triển loại máy tính có thể bật lên ngay lập tức, không cần quá trình khởi động mà còn thực sự tích hợp được thiết bị nhớ và CPU vào một con chip đơn giản.

Thực hiện lý thuyết cũng là một thách thức

Kể từ khi lý thuyết về spin transitor được giới thiệu lần đầu tiên ở Mỹ vào năm 1990, các nhà khoa học trên khắp thế giới đã thực hiện rất nghiên cứu liên quan đến công nghệ “up-and-coming”. Nhưng tại sao các nhà khoa học lại mất nhiều thời gian đến thế để nghiên cứu chế tạo spin transitor đầu tiên trên thế giới? Mặc dù, lý thuyết về spin transitor tương đối đơn giản nhưng rất khó đưa lý thuyết này vào thực tế. Vì sự khác biệt khá lớn trong truyền dẫn điện giữa chất bán dẫn và kim loại, nên gần như không thể kiểm soát được hướng chuyển động tự do của các hạt electron. Một nhóm nghiên cứu của Viện Khoa học và công nghệ cao Hàn Quốc (KIST) đã tập trung nghiên cứu chế tạo transitor hiệu ứng trường dựa trên một kênh bán dẫn với chất liệu sắt từ. Trải qua nhiều thất bại, nhóm nghiên cứu KIST đã chế tạo thành công chất bán dẫn và điện cực kim loại thành một tấm film mỏng với độ rộng của một nguyên tử trong môi trường chân không. Hay nói một cách khác là các nhà nghiên cứu đã có trong tay bí quyết kiểm soát spin, qua đó sẽ giúp ích cho việc tạo ra transitor hiệu ứng trường spin đầu tiên trên thế giới.

Spin transitor dẫn đầu tương lai công nghệ thông tin (IT)

Spin transitor, trước đây chỉ tồn tại trong lý thuyết, đã trở thành nền tảng mới cho sự phát triển trong ngành công nghiệp bán dẫn Hàn Quốc. Tuy nhiên, nguyên mẫu này vẫn chưa ở thể hoàn chỉnh. Mặc dù các nhà nghiên đã thành công trong việc kiểm soát spin nhưng nguyên mẫu này chưa thể hoạt động trong nhiệt độ phòng bình thường vì thử nghiệm mới chỉ được tiến hành trong môi trường - 196 độ C. Để áp dụng công nghệ mới vào sản xuất các linh kiện logic, trước hết các nhà khoa học phải nghiên cứu phương pháp để transitor có thể hoạt động trong nhiệt độ phòng thông thường.