Thành công tạo ra dòng điện spin trong graphene mà không cần từ trường

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Công nghệ Delft (Hà Lan) vừa đạt được thành tựu quan trọng. Họ đã tạo ra loại dòng điện đặc biệt trong graphene mà trước đây chỉ có thể làm được bằng nam châm cực mạnh. Khám phá này có thể thay đổi hoàn toàn cách chúng ta chế tạo thiết bị điện tử trong tương lai.

Để hiểu rõ tầm quan trọng của phát hiện này, chúng ta cần tìm hiểu về spintronics, một công nghệ hoàn toàn khác biệt với điện tử học truyền thống. Trong máy tính hiện tại, thông tin được truyền đi thông qua việc di chuyển điện tích của electron. Spintronics lại khai thác một đặc tính khác của electron gọi là "spin" - tưởng tượng như electron quay tròn theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ.

Công nghệ spintronics mang lại những lợi ích vượt trội. Các thiết bị sử dụng spin có thể hoạt động nhanh hơn hàng nghìn lần và tiêu thụ năng lượng ít hơn đáng kể so với chip máy tính hiện tại. Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ này vào thực tế gặp phải trở ngại lớn.

Tiến sĩ Talieh Ghiasi, trưởng nhóm nghiên cứu, chia sẻ: "Trước đây, muốn tạo ra dòng điện spin trong graphene, chúng tôi phải sử dụng từ trường cực mạnh. Loại từ trường này hoàn toàn không thể thu nhỏ để lắp vào chip điện tử."

Hình minh họa hiệu ứng QSH trong vật liệu nền graphene. Ảnh: Talieh Ghiasi

Giải pháp thông minh từ vật liệu từ tính

Đối diện với thách thức này, nhóm nghiên cứu đã nghĩ ra cách tiếp cận độc đáo. Họ đặt một lớp graphene mỏng lên trên loại vật liệu từ tính đặc biệt tên là chromium thiophosphate (CrPS₄). Vật liệu này hoạt động như một "người bạn từ tính", nó không cần từ trường bên ngoài nhưng vẫn có thể ảnh hưởng đến các electron trong graphene.

Cơ chế hoạt động có thể so sánh như sau: nếu graphene là một tờ giấy trắng, thì CrPS₄ giống như một tấm nam châm nằm bên dưới. Mặc dù không chạm trực tiếp, nam châm vẫn có thể làm cho kim la bàn trên tờ giấy quay theo hướng nhất định. Tương tự, CrPS₄ khiến các electron trong graphene "quay" theo những hướng cụ thể mà không cần từ trường từ bên ngoài.

Khi graphene được đặt trên CrPS₄, hai hiện tượng vật lý quan trọng xảy ra. Thứ nhất là "ghép spin-quỹ đạo" - tức là cách electron di chuyển sẽ ảnh hưởng đến hướng quay của chúng. Thứ hai là "tương tác trao đổi" - nghĩa là các electron có xu hướng quay cùng hướng với nhau. Sự kết hợp của hai hiện tượng này tạo ra một "đường cao tốc điện tử" đặc biệt chạy dọc theo rìa của graphene.

Điều đáng kinh ngạc là những dòng điện đặc biệt này có thể chạy ổn định qua khoảng cách lên đến hàng chục micromet. Để hình dung, một micromet bằng một phần triệu mét - tức là khoảng cách này gấp hàng trăm lần kích thước của virus corona. Quan trọng hơn, dòng điện này vẫn hoạt động bình thường ngay cả khi có những khuyết tật nhỏ trong cấu trúc vật liệu.

Khám phá bất ngờ hoạt động ở nhiệt độ phòng

Nhóm nghiên cứu còn phát hiện thêm một điều thú vị. Ngoài dòng điện spin chính, họ còn quan sát thấy "hiệu ứng Hall bất thường" - một hiện tượng khiến electron bị lệch hướng sang một bên ngay cả khi không có từ trường. Điều đặc biệt là hiện tượng này vẫn xảy ra ở nhiệt độ phòng thông thường.

Sự khác biệt này rất quan trọng về mặt ứng dụng thực tế. Dòng điện spin chính chỉ hoạt động ở nhiệt độ cực thấp (gần âm 273 độ C), nhưng hiệu ứng Hall bất thường lại hoạt động bình thường ở nhiệt độ phòng. Điều này mở ra cơ hội ứng dụng ngay lập tức trong các sản phẩm điện tử hàng ngày.

Nhóm nghiên cứu nhận định: "Chúng tôi đã chứng minh được rằng có thể tạo ra trạng thái spin đặc biệt mà không cần từ trường bên ngoài. Kết hợp với tín hiệu hoạt động ở nhiệt độ phòng, phát hiện này mở ra con đường thực tế cho các ứng dụng graphene từ tính trong công nghệ tương lai."

Thành quả này hứa hẹn dẫn đến những thiết bị điện tử hoàn toàn mới. Tưởng tượng những chip nhớ và vi xử lý mỏng như tờ giấy, chạy mát hơn và hiệu quả hơn gấp nhiều lần so với chip silicon hiện tại. Những dòng điện đặc biệt này còn có thể truyền thông tin lượng tử qua khoảng cách xa, giúp kết nối các bộ phận trong máy tính lượng tử tương lai.

Ghiasi nhấn mạnh một ưu điểm quan trọng: "Những dòng điện này có khả năng chống chịu rất tốt trước các nhiễu loạn và khuyết tật. Chúng hoạt động đáng tin cậy ngay cả khi điều kiện không hoàn hảo."

Tuy nhiên, nghiên cứu vẫn cần vượt qua một số thách thức. Loại dòng điện spin phù hợp nhất để chế tạo mạch lượng tử hiện chỉ hoạt động ở nhiệt độ cực thấp. Nhóm nghiên cứu đang tìm cách cải thiện để hiện tượng này có thể xảy ra ở nhiệt độ cao hơn. Họ cũng đang thử nghiệm với nhiều loại vật liệu khác nhau để tìm ra những kết hợp hiệu quả hơn.

Kết quả nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí khoa học danh tiếng Nature Communications. Đây là bước tiến quan trọng trong việc biến công nghệ lượng tử từ phòng thí nghiệm thành hiện thực cuộc sống.