Giải Nobel Vật Lý 2007 và Kỹ Thuật Nano

Giải Nobel Vật Lý 2007 và Kỹ Thuật Nano
[16/12/2007 - Tác giả: admin1 - Vietnam Review]

Nguyễn Trọng Cơ
Sherman Oaks, California
15-12-2007

Năm nay giải Nobel Vật lý được phát cho hai khoa học gia Âu Châu, một Pháp, một Đức. Đó là các ông:

- Albert Fert, làm việc tại Đại học Paris-Sud, Orsay, Pháp, và
- Peter Grünberg, làm việc tại Trung tâm Khảo cứu Jülich, Jülich, Đức.
Hai ông đều xấp xỉ bảy mươi. Ông Fert sinh năm 1938, còn ông Grünberg sinh năm 1939. Giống như mấy năm trước, số tiền thưởng vẫn là 10 triệu đồng Thụy Điển (khoảng 1.55 triệu Mỹ kim).

Gần 20 năm trước, năm 1988, trong lúc khảo cứu riêng rẽ, hai ông đã cùng khám phá ra một hiệu ứng mới lạ sau đây. Trong một số cấu trúc kim loại đặc biệt, ở điều kiện thích hợp, chỉ cần một thay đổi nhỏ của từ trường (magnetic field) cũng có thể gây ra một biến đổi rất lớn trong điện trở (electrical resistance) của cấu trúc này. Có tên là hiệu ứng GMR, Giant MagnetoResistance (tạm dịch: Biến đổi Cực lớn của Điện trở do Từ trường), khám phá trên đã được nhanh chóng mang vào kỹ nghệ làm Đầu đọc (read-out head) trong Đĩa cứng (hard disks) của máy điện toán. Kỹ thuật mới mẻ này đã gia tăng bội phần sức chứa của đĩa cứng và giảm giá thành, khiến dịch vụ khoảng 40 tỷ đô la hàng năm của đĩa cứng phát triển một cách ngoạn mục.

Đằng khác, hiệu ứng GMR đạt được là nhờ một kỹ thuật tạo những Màng (film) rất mỏng của các loại vật chất khác nhau, khám phá trong những năm 1970. Mỏng đến độ bề dầy chỉ gồm vài ba nguyên tử vật chất. Ta biết rằng kích thước nguyên tử rất nhỏ, khoảng từ 0.1 đến 0.5 nm (nano mét, một phần tỷ, 1/1,000,000,000 của mét) (10). Các khoa học gia đang ráo riết tìm hiểu hoạt động của vật chất ở kích thước vô cùng nhỏ này, và đặt tên ngành kỹ thuật/công nghệ tương ứng là Nanotechnology (kỹ thuật/công nghệ nano). Như vậy khám phá GMR của hai ông Fert và Grünberg có thể được coi là một trong những ứng dụng thực sự đầu tiên của kỹ thuật nano.

Để thấy rõ sự đóng góp của hai ông vào dòng khảo cứu khoa học kỹ thuật hiện đại, trong bài này người viết sẽ đưa vào một số tin tức liên hệ đến kỹ thuật nano và đĩa cứng.

Kỹ Thuật/Công Nghệ Nano (nanotechnology)

Như trên đã nói, một cách đơn giản, kỹ thuật nano liên hệ đến vật chất ở kích thước nhỏ, thí dụ như một nhóm nguyên tử hay phân tử.

Như vậy kỹ thuật nano khác với kỹ thuật điện tử hiện nay ra sao?

Hiện nay chúng ta đang ở thời đại vi điện tử (microelectronics). Thật vậy, hàng ngày ta thường nghe thấy những từ microcomputer (máy vi tính), miroprocessor (bộ vi xử lý),...Chữ micro, ngoài nghĩa thông thường là nhỏ (vi), còn là từ đặt ở đầu (prefix) để chỉ một phần triệu (10). Thí dụ như một micro mét, hay micron là một phần triệu của mét (1/1,000,000). Trong một chip (mẩu) điện tử nhỏ li ti ta có thể xếp đặt một số lớn Bóng bán dẫn (transistors) với kích thước trung bình mỗi cái khoảng 1/4 micron (tài liệu năm 2001). Để có thể tưởng tượng một micron nhỏ như thế nào ta hãy nhìn vào một sợi tóc và lưu ý là đường kính của sợi tóc này ở khoảng 57 - 90 microns. Vi trùng (bacteria/vi khuẩn) thường có đường kính vài microns, không thể nhìn được bằng mắt trần. Vì một nano mét bằng một phần tỷ của mét, nên riêng về bề dài, đại cương thế giới nano sẽ gồm những bộ phận nhỏ cỡ một phần ngàn các bộ phận trong thế giới micro! Có thể gọi đây là thế giới Siêu vi điện tử (nanoelectronics).

Từ lâu các vật lý gia biết rằng ở mức vô cùng nhỏ của thế giới nano, các định luật vật lý cổ điển, vốn áp dụng vào các vật thể hàng ngày, không còn giá trị nữa. Các tính toán sẽ phải dựa vào các định luật hiện đại của ngành Cơ học lượng tử (1) và thuyết Tương đối (2). Mặc dù biết rằng vấn đề sẽ vô cùng phức tạp, cách đây gần 50 năm, năm 1959, khi ngành vi điện tử vẫn còn trong thời kỳ phôi thai, vật lý gia Richard Feynman (3) đã cố gắng thúc giục các khoa học gia lưu tâm đến một kỹ thuật điều khiển các vật nhỏ cỡ nguyên tử. Lúc đó ông nói: "... I will not now discuss how we are going to do it, but only what is possible in principle..." (tạm dịch: "...Lúc này tôi sẽ không bàn về phương cách thực hiện, mà chỉ nói về những gì khả thi trên nguyên tắc..."). Mặc dù rất thích thú về đề tài này, nhưng thấy nhiều khó khăn trước mắt, ông không liên tục tập trung sức lực vào sự tìm tòi trên. Cho đến nay khi các khoa học gia biết rõ là các định luật trong cơ học lượng tử có thể hoàn toàn khống chế các hoạt động của những bộ phận cỡ nano thì ngành kỹ thuật nano, mặc dù còn nhiều giới hạn, phần nào đã trở thành hiện thực.

Trong số những khó khăn khi đi vào kỹ thuật nano có hai vấn đề quan trọng sau đây phải được đặc biệt lưu ý. Thứ nhất là sự thông tin, liên lạc giữa thế giới nano và thế giới bình thuờng (macroworld). Theo lý thuyết cơ học lượng tử, ta biết rằng khi ta cố gắng đo lường trong hệ thống những hạt vô cùng nhỏ (quantum system) ta sẽ làm xáo trộn chúng. Do đó, vì có sự khác biệt giữa các định luật vật lý, sự trao đổi tin tức giữa hai thế giới sẽ rất khó trung thực. Thứ hai là bề mặt (surfaces) của các vật thể. Trong thế giới micro hiện nay, các định luật của vật lý thể rắn luôn luôn được áp dụng với điều kiện tiên quyết là tỷ số giữa diện tích và thể tích (surface to volume ratio) của vật thể phải vô cùng nhỏ. Nói cách khác, định luật chỉ áp dụng trong những khối lớn (bulk). Trong kỹ thuật nano ta không thể có điều kiện này. Do đó ta phải kiếm cách giảm ảnh huởng của bề mặt vật thể.

Để có thể sản xuất những thiết bị thực dụng không nhỏ quá mà vẫn có những đặc tính của kỹ thuật nano, người đề ra một Độ lớn bậc trung (mesoscale). Những vật thể ở mesoscale có kích thước từ một đến vài trăm nano mét, được cấu thành từ sự tích lũy của một số lớn nguyên tử hay phân tử. Với số lượng hạt tử lớn như vậy ta còn có thể áp dụng những định luật vật lý cổ điển nhưng vẫn phải để ý đến ảnh hưởng của cơ học lượng tử.

Thông thường có hai cách để đi vào kỹ thuật nano, top-down (từ trên xuống) và bottom-up (từ dưới lên). Theo hướng thứ nhất, các nhà sản xuất chip điện tử đang thu nhỏ dần các transistors, vốn là đơn vị cơ bản để xây dựng những microprocessors (bộ vi xử lý), memory chips (chip nhớ), controllers (bộ điều khiển),...Như trên đã nói, hiện nay kích thước một transistor khoảng trên dưới 0.1 micron hay 100 nano mét. Hãng sản xuất chip điện tử Intel đã có những khảo cứu và phát triển để có thể sản xuất những transistors có kích thước nhỏ dần từ 65 nm xuống đến 22 nm. Lưu ý là sản xuất các transistors có kích thước dưới 100 nm là một bước nhảy vọt trong kỹ thuật. Ta không thể dùng những thiết bị hiện tại để sản xuất những transistors cực nhỏ này. Để thay đổi có thể sẽ rất tốn kém (4).

Khi theo hướng "từ dưới lên," ta phải bắt đầu từ những nguyên tử hay phân tử để xây dựng dần lên cơ cấu nano. Hai sản phẩm đã được biết đến từ nhiều năm nay là Ống nano (nanotubes) và Chấm lượng tử (quantum dots) (5). Vì thường chỉ dùng những phản ứng hóa học đã được khéo léo kiểm soát nên phương pháp này có lợi điểm là không tốn kém. Tuy nhiên, vì không thể sản xuất hàng loạt những mẫu vật đã được thiết kế và có liên hệ với nhau nên phương pháp này chưa thể áp dụng vào kỹ nghệ điện tử.

Trong lãnh vực sinh học, các khoa học gia cũng đang cố gắng xây dựng những Bộ máy nano (nanomachines) khi quan sát chuyển động của các vi sinh vật. Ta biết rằng một số đơn bào (one-celled organisms) có thể di chuyển được là nhờ những Tua/Đuôi (flagella) và một bộ Máy quay (rotor) cực nhỏ, cỡ 10 nano mét, nằm trong tế bào. Rotor này có thể quay rất nhanh, làm các đuôi cựa quậy liên tục khiến đơn bào có thể chuyển động dễ dàng. Thí dụ như tinh trùng (sperm) có thể di chuyển với vận tốc cỡ 60 - 160 microns mỗi giây. Đây là một vận tốc khá lớn vì kích thước của tinh trùng chỉ khoảng 25 microns. Rotor cấu tạo bởi protein, và có thể quay nhanh tới hàng ngàn vòng mỗi phút. Năng lượng được cung cấp bởi nguồn hóa năng quen biết trong tế bào, có tên Adenosine TriPhosphate (ATP). Khoa học gia Montemagno tại đại học Cornell đã tạo được một bộ máy nano đầu tiên bằng cách cô lập một rotor rồi nối với một sợi kim loại hình trụ (nanorod) dài cỡ 750 nano mét, đường kính 150 nano mét. Nanorod có thể quay được 8 vòng mỗi phút. Tuy nhiên phải cần thời gian để những bộ máy nano này có những ứng dụng cụ thể.

Một số thành công đã làm đề tài nano trở nên nóng bỏng. Nhiều ý kiến mới lạ được đưa ra. Thí dụ như các bộ phận điện tử có thể được làm từ những phân tử hữu cơ (organic), những dải DNA được gắn vào các chip silicon,...Những Hạt nano (nanoparticles) có thể giúp các thử nghiệm sinh học nhanh hơn, làm việc chẩn bệnh dễ dàng hơn. Chúng cũng có thể đưa thuốc đúng vào những phần cơ thể cần chữa trị để tránh phản ứng phụ, sửa chữa những cơ quan hư hỏng trong người, và hy vọng có thể giúp những cơ quan này tự tái tạo,...Những nano robots (nanobots), nano lắp ráp (nanoassemblers) có thể chữa bệnh và tạo nên một lực lượng sản xuất hùng hậu không gây ô nhiễm,...Người ta tiên đoán là đến năm 2008 những sản phẩm từ kỹ thuật nano sẽ có giá trị trên 100 tỷ đô la.

Bây giờ ta hãy trở lại với phát kiến có vẻ thuần tuý khoa học nhưng có ứng dụng tuyệt vời trong kỹ nghệ của hai ông Fert và Grünberg.

Giant Magnetoresistance (GMR; Biến đổi Cực lớn của Điện trở do Từ trường)

Từ lâu ta đã biết rằng dòng điện trong dây kim loại sinh ra do sự chuyển động của các điện tử (electrons), và điện trở (electric resistance) sinh ra do phân tán (scattering) của dòng điện tử trên khi va chạm vào cơ cấu bất thường hay sự dao động của mạng kim loại. Những chất tạp (impurities) cũng có thể làm gia tăng sự phân tán này, nghĩa là thay đổi điện trở. Ta cũng biết rằng khi đặt một dây kim loại vào một từ trường (magnetic field) thì từ trường này sẽ làm thay đổi sự phân tán của dòng điện tử và do đó thay đổi điện trở. Sự thay đổi này rất nhỏ, cỡ một, vài phần trăm.

Khoảng năm 1857 khoa học gia W. Thompson đã công bố một khảo sát về ảnh hưởng của từ trường trên các kim loại sắt (iron) và kền (nickel). Theo ông, khi dòng điện song song với từ trường thì điện trở tăng, và điện trở sẽ giảm khi dòng điện cắt ngang (across) từ trường. Sự thay đổi của điện trở tùy theo hướng của từ trường ở trên được gọi là hiện tượng Anisotropic MagnetoResistance (AMR; tạm dịch, Biến đổi Bất đẳng hướng của Điện trở theo Từ trường). Hiện tượng AMR sau này được giải thích thỏa đáng nhờ thuyết cơ học lượng tử (1). Đó là sự Kết hợp spin-quỹ đạo của điện tử (electron spin-orbit coupling) (6).

Biết rằng sự biến đổi của điện trở theo từ trường có thể tạo nhiều ứng dụng, từ hơn một trăm năm qua nhiều khoa học gia đã cố gắng tìm hiểu thêm về sự biến đổi này trên những hợp kim đặc biệt và dưới những điều kiện bên ngoài khác nhau. Như trên đã nói, khi kỹ thuật làm những lớp màng cực kỳ mỏng ra đời trong thập niên 70s thì có thêm nhiều hy vọng cho những khám phá mới. Nhưng chờ mãi không thấy kết quả nào được công bố. Đến nỗi trong thâp niên 80s nhiều khoa học gia đã đồng ý là hướng khảo cứu trong lãnh vực này có thể đã đi vào ngõ cụt. Do đó sự công bố bất ngờ trong năm 1988 của các ông Fert và Grünberg đã làm cộng đồng khảo cứu sững sờ.

Ta hãy nhìn lại xem trong thời gian đó hai ông làm việc ra sao. Nhóm của của ông Fert đã kiên trì, tỉ mỉ làm vô số thí nghiệm trên nhiều lớp màng mỏng liên tiếp của Sắt (Fe) và Crôm (Cr). Để tạo những lớp màng mỏng cỡ nano mét này họ phải dùng sắt và crôm ở thể khí, dưới áp suất cực kỳ thấp, gần như ở trạng thái chân không. Lúc đó các nguyên tử sắt, rồi crôm đọng lại từ từ trên một mặt mẫu, và tạo nên những màng cực kỳ mỏng, lớp nọ bao lên trên lớp kia. Có lúc họ phải thí nghiệm trên những lớp từ 30 đến 60 cặp sắt/crôm liên tiếp. Nhóm của ông Grünberg thì khác. Họ tạo ra những lớp giống như chiếc bánh kẹp (sandwich) ở cỡ nano mét, gồm cặp ba sắt, crôm ở giữa, rồi sắt. Sau đó chỉ làm thí nghiệm trên một nhóm gồm vài bánh kẹp đặt liên tiếp.

Có lẽ vì dùng nhiều lớp kim loại nên nhóm của ông Fert đã đạt được một kết quả ngoạn mục. Sự biến đổi của điện trở do từ trường có thể lên đến 50 phần trăm. Trong khi đó nhóm của ông Grünberg cho thấy biến đổi chỉ cỡ 10 phần trăm. Nhỏ hơn, một phần vì nhóm này chỉ dùng có ba bánh kẹp sắt/crôm/sắt. Phần khác vì ông Grünberg làm thí nghiệm ở nhiệt độ thường. Trong khi đó thí nghiệm của ông Fert được thực thi ở nhiệt độ cực kỳ lạnh (4.2 độ Kelvin hay -269 độ Celsius). So với những biển đổi bình thường cỡ một, hai phần trăm thì kết quả của cả hai nhóm quả thực là "giant" (cực lớn). Ngoài ra vì lý thuyết vật lý đằng sau hai thí nghiệm này giống nhau, nên cả hai nhóm cùng mang vinh dự khám phá hiện tượng mới lạ này. Sau khi công bố, ông Fert có nêu lên tiềm năng ứng dụng của công trình khảo cứu. Thực tế hơn, khi nhìn thấy khả năng thực dụng của GMR, ông Grünberg đã xin cấp bằng sáng chế ngay trong lúc ông đang viết bài tường trình để công bố.

Bây giờ ta hãy đi sâu một chút vào khám phá của hai ông. Trước hết ta hãy tìm hiểu tại sao hai ông lại cùng chọn sắt và crôm để làm thí nghiệm. Lý do vì sắt giống như cobalt (Co) và kền (nickel; Ni) là những kim loại dễ bị từ hóa, thường được gọi là có tính thiết từ (ferromagnetic) (7). Còn crôm thì thuộc loại Vô từ (non-magnetic) (8). Sở dĩ crôm được chọn vì trong cơ cấu tinh thể của crôm, các kẽ lưới (lattice spacings) tương tự như những kẽ lưới của sắt. Đặc biệt, với bề mỏng cỡ nano mét, nhỏ hơn quãng đường di chuyển tự do trung bình (mean free path length) của điện tử, crôm đã tạo ra cơ chế phức tạp, tên là cơ chế kết hợp (coupling mechanism), giữa hai lớp sắt hai bên. Từ đó GMR xuất hiện.

Để minh họa GMR một cách đơn giản, ta nhìn ba lớp sắt/crôm/sắt. Như ta đã biết, điện trở sinh ra do sự phân tán điện tử trong những lớp kim loại này. Ta cũng biết rằng những điện tử có thể có spin hoặc hướng lên (up), hoặc hướng xuống (down). Như vậy dòng điện qua ba lớp kim loại trên là sự kết hợp của hai dòng điện. Một ứng với những điện tử có spin up, và một ứng với những điện tử có spin down. Mỗi loại điện tử chịu sự phân tán khi đi qua mỗi lớp kim loại và do đó có điện trở. Đối với crôm, khi từ trường thay đổi, sự phân tán điện tử không bị ảnh hưởng nhiều. Tuy nhiên như phần trên đã nói, crôm có ảnh hưởng mạnh mẽ trên hai lớp sắt hai bên. Khi từ trường bên ngoài bằng 0, nếu ở lớp sắt thứ nhất số lượng điện tử có spin up (ở quanh một mức năng lượng) nhiều hơn số lượng điện tử có spin down, thì ở lớp sắt thứ hai có sự đảo ngược. Nghĩa là ở đó số luợng điện tử có spin down lớn số lượng điện tử có spin up. Từ đó các vectơ biểu thị sự từ hóa (momen từ) ở hai lớp sắt có chiều trái nhau. Nếu bây giờ ta áp đặt một từ trường vào ba lớp kim loại kể trên thì từ trường này tác động trên spin và làm mất sự đảo ngược kể trên. Hai vectơ biểu thị từ hóa ở hai lớp sắt bây giờ cùng chiều. Sự khác biệt về chiều từ hóa đã tạo nên sự khác biệt về điện trở. Người ta tìm ra là sự thay đổi của điện trở khi từ trường thay đổi tỷ lệ với bình phương của hiệu số của hai điện trở tương ứng với hai loại spin (up và down). Tóm lại sự biến đổi điện trở càng lớn khi sự phân tán của hai loại điện tử càng khác nhau. Chính những màng cực mỏng của sắt và crôm đã tạo ra sự khác biệt phân tán đáng kể giữa hai loại điện tử. Tại đó GMR ra đời.

Sự khám phá của hai ông Fert và Grünberg về vai trò khống chế của spin điện tử ở cỡ nano mét đã mở đầu cho một hướng khảo mới, nghành spintronics (spin điện tử). Ở đây các khoa học gia, bên cạnh điện tích (charge) của điện tử, phải đặc biệt lưu tâm đến hoạt động của spin. Khai triển ý kiến của các ông Fert và Grünberg, một số nhà khảo cứu cũng tạo được hiện tượng GMR với những bánh kẹp có lớp giữa không phải là crôm mà là một chất cách điện (insulating material). Điều này có vẻ vô lý vì chất cách điện không để dòng điện đi qua thì làm sao có thể định được điện trở (vốn được coi như có trị số vô cực). Tuy nhiên nếu xét kỹ, ta thấy ở cỡ nano mét, trong lý thuyết cơ học lượng tử có một hiệu ứng đặc biệt có tên là tác dụng Đường hầm (tunnelling). Theo đó, ngay cả ở trong một chất cách điện, đâu đó cũng có một số điện tử có thể "lén lút" di chuyển và tạo nên dòng điện. Phương pháp mới này có tên TMR, Tunnelling MagnetoResistance (tạm dịch: Biến đổi Điện trở do Từ trường dưới tác dụng Đường hầm), rất hữu hiệu, và có tiềm năng thực dụng rất lớn.

Phương cách tạo những màng kim loại mỏng của các ông Fert và Grünberg, được đặt tên epitaxy (tạm dịch: cấy tinh thể), tuy chính xác nhưng tốn nhiều thì giờ và tốn kém. Do đó mặc dầu rất thích hợp cho công việc khảo cứu tại các phòng thí nghiệm, không thể dùng trong kỹ nghệ. Một người Anh, ông Stuart Parkin, đã đưa ra một kỹ thuật đơn giản, ít tốn kém, có tên sputtering (tạm dịch: rải vi tử). Chính nhờ kỹ thuật này mà năm 1997 GMR đã được đưa vào kỹ nghệ làm đĩa cứng, như ta sẽ bàn tới ở phần sau.

Đĩa Cứng (Hard Disk)

Đĩa cứng là một bộ phận tàng trữ dữ kiện (storage) (9) quan trọng trong máy điện toán. Như ta đã biết, máy điện toán được xây dựng trên một ý niệm vô cùng đơn giản nhưng cực kỳ hữu hiệu: hệ Nhị phân (binary system). Theo tên gọi, hệ nhị phân chỉ gồm hai chữ số, 0 và 1. Cả cương liệu (hardware/phần cứng) và nhu liệu (software/phần mềm), ở mức căn bản nhất phải phản ảnh tính Hai (nhị) này. Phần nhỏ nhất trong bộ phận tàng trữ là bit, có thể mang một trong hai trị số, hoặc 0 hoặc 1. Một đơn vị khác, byte, thường được coi như chứa 8 bits. Người ta cũng hay dùng bội số của byte như kilobyte (KB), megabyte (MB), gigabyte (GB), terabyte (TB), ...(10)

Mặt của đĩa cứng được phủ bằng một chất dễ từ hóa. Mỗi điểm nhỏ trên đĩa biểu thị cho một bit. Tại mỗi điểm này từ tính có thể ở một trong hai trạng thái, hoặc ứng với 0 hoặc ứng với 1. Việc tạo từ (viết), và nhận ra từ tính (đọc) tại mỗi điểm được thực hiện bởi một Đầu đọc-viết (read-and-write head) nằm trên một Cánh tay truyền động (actuator arm). Nhờ cánh tay này mà đầu đọc-viết có thể di chuyển từ tâm đĩa ra ngoài để từ đó có thể đọc hay viết tại mọi điểm trên mặt khi đĩa quay.

Trước kia, đầu đọc-viết chỉ dùng một nam châm để vừa đọc vừa viết. Nam châm này tạo từ hóa khi viết, và khi đọc thì nhận ra sự khác biệt trạng thái (ứng với 1 hoặc 0) tại một điểm nhờ hiện tượng Cảm ứng điện từ (electromagnetic induction) (11). Nhìn lại từ ngày bắt đầu được sử dụng trong kỹ nghệ, ta thấy đĩa cứng được cải tiến liên tục để có thể viết, đọc nhanh hơn và chứa được nhiều bits hơn. Muốn chứa được nhiều bits hơn thì người ta phải làm các điểm từ tương ứng nhỏ đi. Làm nhỏ thì dễ, viết (từ hóa) vào mỗi điểm cũng không khó. Nhưng càng nhỏ thì từ trường của mỗi điểm càng yếu do đó không thể đọc được. Chính khám phá của hai ông Fert và Grünberg đã giúp các kỹ thuật gia giải quyết nan đề này. Thật vậy, nếu hiện tượng cảm ứng điện từ không nhận ra sự biến đổi nhỏ của từ trường thì GMR có thể nhận ra nhờ sự biến đổi cực lớn (giant) của điện trở.

Để có thể sử dụng GMR, đầu đọc-viết phải được chia làm làm hai bộ phận riêng rẽ, một đọc, một viết, đặt gần nhau. Đầu viết vẫn dựa vào nguyên tắc cũ nhưng đầu đọc sẽ gồm màng kim loại mỏng có cơ cấu căn bản giống như trong thí nghiệm của hai ông Fert và Grünberg. Nhờ đó từ nay các nhà sản xuất có thể thoải mái thu nhỏ những điểm từ (bits) trên đĩa. Để có thể tăng gấp bội mật độ của điểm từ trên đĩa, một kỹ thuật có tên Perpendicular recording (tạm dịch: ghi từ theo hướng thẳng góc), được sử dụng. Theo đó vectơ từ tại điểm được từ hóa vuông góc với mặt đĩa và có thể có hai chiều trái nhau để biểu thị hai trạng thái (1 hoặc 0). Người ta hy vọng, với những kỹ thuật mới mẻ này, ta có thể viết đến mật độ cỡ một Tbits/square-inch (một Tbits (terabits) bằng 1000 tỷ bits (10); một square-inch bằng 6.45 cm vuông).

Cùng với sự cải tiến về mật độ điểm từ trên đĩa, phần cơ học cũng phải được đổi mới để đĩa có thể quay thật nhanh. Phải nhanh vì khi đĩa quay càng nhanh thì lượng dữ kiện được đọc, viết mỗi giây càng nhiều hơn. Ngày nay đĩa có thể quay với vận tốc đáng nể, từ 7000 đến 10,000 vòng mỗi phút. Lượng dữ kiện di chuyển trong lúc vận hành lên tới 80 MB/giây (MB: megabyte). Với vận tốc quay ghê gớm như vậy, để có thể đọc, viết một cách chính xác, hệ thống đầu đọc, viết phải được thiết kế để "bay" thật gần mặt đĩa nhờ một lớp đệm không khí cực kỳ mỏng. Mỏng đến cỡ 10 - 20 nano mét!

Với sự đóng góp của vô số khoa học và kỹ thuật gia trong đó có hai ông Fert và Grünberg, đĩa cứng đã trở thành một công trình kỹ thuật cực kỳ tinh xảo của thời đại mới.

Để có thể thấy tiến bộ của đĩa cứng trên 50 năm qua, ta hãy nhìn lại ổ đĩa cứng đầu tiên do hãng IBM chế tạo năm 1956. Ổ này gồm 50 đĩa cứng có đường kính 24 inches (61 cm). Mỗi đĩa có thể chứa từ điểm trên hai mặt và quay cỡ 1200 vòng/phút. Toàn bộ hệ thống nặng cỡ một tấn và có kích thước gần bằng hai cái tủ lạnh lớn. Sức chứa? Khoảng 4.5 MB (megabytes). Năm nay, 2007, hãng Hitachi đã cho ra đời một ổ đĩa cứng gồm 5 đĩa mỏng, đường kính 3.5 inches (8.89 cm), dùng cho máy điện toán cá nhân. Toàn bộ có kích thước cỡ một cuốn sách mỏng, khổ nhỏ. Sức chứa? 1 TB (lưu ý, một TB bằng một triệu MB). "Nóng mặt," các hãng cạnh tranh đang ráo riết sửa soạn cho ra mắt một ổ chỉ gồm 1 đĩa duy nhất mà vẫn có sức chứa cỡ một TB. Ta hãy chờ.

Ngoài ra, khai triển ý niệm TMR (Tunnelling MagnetoResistance) ở trên, các nhà sản xuất đang phát triển một hệ tồn trữ với hy vọng có thể thay thế RAM (Random Access Memory) (9). Đó là bộ nhớ MRAM (Magnetic/Magnetoresistive Random Access Memory; tạm dịch: bộ nhớ từ khả nhập bất kỳ). MRAM được thiết kế giống như RAM gồm những mạng điện và đường chuyển dữ kiện cực kỳ tinh vi. Chỉ khác là dòng điện thay vì tạo điện tích trong các bộ tụ điện cực kỳ nhỏ thì tạo ra các điểm từ. Ngoài khả năng có thể làm tăng mật độ của các điểm từ (giảm kích thước của mỗi bit), MRAM còn là một loại bộ nhớ kiên định giống như đĩa cứng. Do đó kích thước của MRAM sẽ nhỏ và đặc biệt khi bị cắt điện bất ngờ, dữ kiện đang vận hành không bị mất. Ngoài ra sau khi tắt máy, ta có thể tái khởi động (restart) nhanh hơn nhờ dữ kiện cần thiết còn lưu lại trong MRAM. Với RAM, sau khi tắt máy, dữ kiện bị xóa hết nên khi tái khởi động, máy phải nạp lại một số dữ kiện thuộc hệ điều hành (gọi là boot; nạp dữ kiện điều hành). Đây là một việc không ai thích vì mất thì giờ.

Kết luận

Như trên đã trình bầy, khám phá có tính cách cơ bản của hai ông Fert và Grünberg đã có ảnh hưởng tích cực vào nhiều ngành kỹ thuật liên hệ đến điện từ học, trong đó đĩa cứng chỉ là một thí dụ nổi bật. Ngoài ra, sự khảo sát tường tận về spin của điện tử ở những lớp màng cực kỳ mỏng của vật chất hy vọng sẽ tạo nền tảng cho nhiều khám phá quan trọng trong kỹ thuật nano, một kỹ thuật còn nhiều thách đố nhưng đầy hứa hẹn.

(1) Một cách đơn giản, cơ học lượng tử là ngành vật lý liên hệ đến các hạt tử ở kích thước rất nhỏ. Theo đó, Năng lượng (Energy), Động lượng (Momentum), Động lượng Quay (Angular Momentum), cũng như Điện tích (Charge) được trao đổi theo những luợng Gián đoạn (discrete), gọi là Nguyên lượng hay Lượng tử (Quantum/Quanta). Thí dụ như để mô tả mức năng lượng của điện tử (elecron) trong nguyên tử người ta dùng bốn số nguyên lượng: Chính (Principal; ký hiệu n), Động lượng Quay (l), Từ (Magnetic; m) và Spin (s).
n có thể có những trị số nguyên dương từ 1 đến vô hạn. Với nguyên tử ở trạng thái cơ bản (ground-state), trị số lớn nhất của n là 7.
l có thể có trị số nguyên từ 0 đến n-1. Thí dụ như nếu n=4 thì l có thể là 0, 1, 2, và 3. Các hóa học gia thường dùng chữ s (viết tắt của sharp) để chỉ l=0, p (principal) khi l=1, d (diffuse) cho l=2, và f (fundamental) lúc l=3.
Trị số của m phụ thuộc vào l và bằng: –l, -(l-1), ..., 0, ..., (l-1), l. Thí dụ như nếu l=3, m sẽ là: -3, -2, -1, 0, 1, 2, 3.
s (hay còn gọi là ms) có thể bằng ½ hoặc -½.
Sự phân bố của điện tử dựa vào một số quy tắc.
a) Quy tắc Aufbau: Một cách tổng quát các điện tử (electrons) sẽ lấp đầy các vân đạo nguyên tử trống ở tầng năng lượng thấp nhất trước rồi mới vào các vân đạo ở tầng năng lượng cao hơn. (Aufbau là từ tiếng Đức có nghĩa là xây dựng)
b) Quy tắc Hund: Trong những vân đạo nguyên tử có cùng mức năng lượng (equal-
energy orbitals) mỗi vân đạo sẽ được chiếm bởi một điện tử trước rồi sau đó những
điện tử có spin trái dấu mới được đưa vào. Thí dụ như mỗi trong ba vân đạo 2p (2px ,
2py, và 2pz ) giữ một điện tử trước rồi mới nhận điện tử thứ hai (Friedrich Hund [1896 – 1997] là vật lý gia người Đức).
c) Quy tắc ngoại trừ Pauli (Pauli exclusion principle): Không thể có hai điện tử có cùng
bốn số lượng tử (n, l, m , s) (Wolfgang Pauli [1900 – 1958], vật lý gia Mỹ gốc Áo, đoạt giải Nobel Vật lý 1945).
Theo trên ta thấy, với mỗi trị số của m ta có tối đa 2 điện tử. Từ đó tầng s có tối đa 2 điện tử, tầng p có 6, d có 10, và f có 14.
Tính chất của mỗi nguyên tố phụ thuộc vào sự sắp xếp điện tử (electronic configuration) của nguyên tử tương ứng, đặc biệt là tầng ngoài cùng. Thí dụ như sắt (iron) có 26 điện tử, ứng với sắp xếp: 1s(2)2s(2)2p(6)3s(2)3p(6)4s(2)3d(6). Như vậy sắt có 6 điện tử ở tầng ngoài cùng. Tương tự, cobalt có 7, 3d(7), và nickel có 8, 3d(8). Riêng crôm (chromium) với 6 điện tử ở tầng ngoài cùng, có cơ cấu bất thường, 4s(1)3d(5).

(2) Albert Einstein (1879-1955; thắng giải Nobel Vật lý năm 1921) là cha đẻ của Thuyết Tương đối (Hẹp và Rộng).
Thuyết Tương đối Hẹp (Special Relativity) gồm hai tiền đề: (i)Vận tốc Ánh sáng không đổi đối với bất cứ Quan sát viên nào (dù đang di chuyển). (ii) Các định luật Vật lý không đổi trong bất cứ Hệ quy chiếu Quán tinh nào (Inertial frame of reference; không có gia tốc). Kết quả từ hai tiền đề này đã làm đảo lộn các định luật vật lý cổ điển nhất là đối những vật có chuyển động rất nhanh.
Một cách đơn giản, thuyết Tương đối Rộng (General Relativity) cho rằng có sự tương đương giữa Trọng trường (Gravitation) và Gia tốc (Acceleration). Từ đó suy ra ý niệm Không-Thời gian Cong (Spacetime Curvature) mà một loại đại lượng có tên Tensor Cong (Tensor Curvature) có liên hệ đến sự phân bố Vật chất và Năng lượng.

(3) Richard P. Feynman (1918-1988) chia giải Nobel Vật lý 1965 với Sin-Itiro Tomonaga (1906-1979) và Julian Schwinger (1918-1994).

(4) Những transistors hiện được chế tạo theo một phương pháp có tên photolithography (tạm dịch: In ảnh bằng ánh sáng). Theo một số tài liệu, riêng tại Mỹ, các nhà máy có thể sản xuất 3 tỷ transistors mỗi giây bằng phương pháp này. Ánh sáng dùng để "in" transistors là tia cực tím (ultraviolet light). Nếu những mẫu in quá nhỏ ánh sáng này sẽ bị nhiễu xạ (diffracted) và kết quả sẽ mất chính xác. Có nhiều phương pháp khác nhau được đề nghị để thay thế tia cực tím, như dùng chùm điện tử (electron-beam) hay tia x (x-ray),...Tốn phí có thể lên đến hàng trăm triệu đô la.

(5) Ống nano (nanotubes) có nhiều loại. Một loại quan trọng, carbon nanotubes, là những ống có đường kính cỡ nano mét, bề dày cực mỏng, bằng kích thước của nguyên tử carbon. Ống này rất dẻo dai và có nhiều tính khác thường về điện và nhiệt.
Chấm điện tử (quantum dots) là những tinh thể (crystals) chỉ chứa chừng vài trăm nguyên tử. Chấm điện tử có nhiều tính chất quang học, điện học và từ học đặc biệt.

(6) Trong cơ học lượng tử, spin của điện tử liên hệ đến sự hiện diện của một động lượng quay (angular momentum) trong điện tử, không nhất thiết là có sự quay thực sự của điện tử quanh chính nó. Electron spin-orbit coupling là sự kết hợp giữa spin vừa kể và chuyển động của điện tử quanh nhân nguyên tử. Từ đó có sự phân tán điện tử theo hướng từ trường (điện trở tăng).

(7) Một thanh nam châm có thể hút sắt (Fe), cobalt (Co) hay nickel (Ni),... rất mạnh nhưng lại hút yếu nhôm (Al), kali (K) hay magnê (Mg),.. và lại đẩy nhẹ đồng (Cu), carbon (C), hay bạc (Ag),...Những chất như sắt, cobalt hay nickel được xếp vào loại thiết từ (ferromagnetic). Còn những chất tương tự như nhôm, kali, magnê,...thuộc loại thuận từ (paramagnetic). Cuối cùng các chất như đồng, carbon hay bạc,... được gọi là có tính phản từ (diamagnetic).
Từ tính của vật chất sinh ra từ sự quay của điện tử quanh nhân. Từ đó, có momen của lưỡng cực từ (magnetic dipole moment) và từ trường (magnetic field). Có hai loại momen (lưỡng cực) từ. Một loại kết hợp với một đại lượng liên hệ đến quỹ đạo của điện tử, có tên momen góc quỹ đạo (orbital angular momentum). Trong đa số vật chất, hướng của momen góc thay đổi theo từng nguyên tử. Do đó trị số trung bình momen từ của tất cả nguyên tử sẽ bằng 0. Loại momen từ thứ hai kết hợp với momen góc spin (spin angular momentum) (6). Nếu tất cả những momen góc spin của điện tử được ghép cặp (paired) với chiều trái nhau thì momen từ của toàn bộ hệ thống cũng bằng không. Đây là trường hợp của chất phản từ. Nhưng nếu có một ít điện tử không ghép cặp thì momen từ tương ứng sẽ làm vật chất có một ít từ tính vĩnh viễn. Chất thuận từ nằm trong trường hợp này.
Chất phản từ bị nam châm đẩy nhẹ vì có sự thay đổi của momen từ để chống lại ảnh hưởng của từ trường bên ngoài (định luật Lenz). Chất thuận từ được nam châm hút nhẹ vì, như trên đã nói, có momen (lưỡng cực) từ vĩnh viễn. Từ trường bên ngoài làm các momen từ này thẳng hàng (aligned) và chất thuận từ bị hút. Lưu ý là tính thuận từ dễ mất do ảnh hưởng của Dao động nhiệt (thermal agitation), vốn có tự nhiên do nhiệt độ.
Tương tự như chất thuận từ, chất thiết từ (ferromagnetic) có nhiều nguyên tử chứa những điện tử không ghép cặp (unpaired electrons) và do đó có momen từ vĩnh viễn. Trong từng Vùng từ nhỏ (magnetic domains), cỡ 1mm, những momen từ của các nguyên tử này thẳng hàng với nhau. Nhưng trong cả khối vật chất có vô số vùng từ vừa kể và momen từ của mỗi vùng từ lại có hướng khác nhau. Khi một chất thiết từ được đặt trong một từ trường thì từ trường này sẽ làm cho các momen từ của mỗi vùng từ thẳng hàng với nhau. Sự thẳng hàng này làm chất thiết từ trở thành một nam châm vĩnh viễn và bị hút mạnh. Lưu ý là khi bị va chạm mạnh sự thẳng hàng bị xáo trộn và từ tính của chất thiết từ có thể bị mất. Ngoài ra khi nhiệt độ tăng thì dao động nhiệt tăng, và khả năng giữ từ tính vĩnh viễn bị giảm. Khi nhiệt độ lên quá một nhiệt độ có tên là nhiệt độ Curie thì chất thiết từ (ferromagnetic) trở thành thuận từ (paramagnetic).

(8) Vì bị nam châm hút rất yếu nên người ta có thể xếp crôm vào loại thuận từ (paramagnetic) hay, một cách nôm na, vô từ (non-magnetic). Thực ra crôm thuộc loại Phản thiết từ (antiferromagnetic). Theo đó, trong mạng kim loại, mỗi nguyên tử có spin trái chiều với spin của nguyên tử bên cạnh. Khi nhiệt đô tăng, hướng của những spin thay đổi nên từ tính thay đổi. Nếu nhiệt độ lên cao hơn một nhiệt độ có tên Néel (Néel temperature) chất phản từ thiết trở thành thuận từ.

(9) Có nhiều loại tàng trữ (storage) hay bộ nhớ (memory). Một loại quan trọng có tên là RAM (random access memory; bộ nhớ khả nhập bất kỳ). Thường được gọi là bộ nhớ chính (main memory), RAM là một loại bộ nhớ hoạt động (working memory) của máy điện toán. Đây là nơi chứa những dữ kiện nhị phân (bits) liên hệ đến những mệnh lệnh đang tiến hành. Bits được tồn trữ trong RAM nhờ tác dụng điện trên những transistors và capacitors (bộ tụ diện). RAM được thiết kế để được đọc và viết cực kỳ nhanh. Bộ CPU (Central Processing Unit; Bộ xử lý trung ương) nối trực tiếp với RAM bằng những đường dẫn dữ kiện gọi là bus. Có hai loại bus: bus chuyển dữ kiện (data bus) và bus chuyển địa chỉ (address bus). Trong CPU còn có hai loại bộ nhớ trung gian là Register (bộ ghi) và Cache (bộ nhớ ẩn). RAM có thể có hai loại: SRAM (Static RAM; RAM tĩnh) và DRAM (Dynamic RAM; RAM động). RAM, register, cache,...có tính Không kiên định (volatile), nghĩa là sẽ mất hết dữ kiện khi điện bị cắt. Trong những loại tàng trữ/bộ nhớ Kiên định (non-volatile) dữ kiện có thể tồn tại mà không cần dòng điện. Đĩa cứng (viết bằng từ), CD và DVD (viết bằng tia laser), Flash memory/Memory stick (viết bằng điện) là những thí dụ của bộ nhớ kiên định.

(10) Những bội số thường dùng là kilo (K; ngàn: 1,000), mega (M; triệu: 1,000,000), giga (G; tỷ: 1,000,000,000), tera (T; ngàn tỷ: 1,000,000,000,000), peta (P; triệu tỷ: 1,000,000,000,000,000), exa, zetta, yotta,...Những ước số quen biết là milli (m; 1 phần ngàn: 1/1,000), micro (; 1 phần triệu: 1/1,000,000), nano (n; 1 phần tỷ: 1/1,000,000,000), pico (p; 1 phần ngàn tỷ: 1/1,000,000,000,000), femto (f; 1 phần triệu tỷ: 1/000,000,000,000,000), atto, zepto, yocto,...

(11) Khi từ trường thay đổi, từ thông (magnetic flux) biến đổi và tạo ra dòng điện theo định luật Faraday và Lenz.


Tài liệu tham khảo

Benson, Harris, University Physics, John Wiley & Sons Inc., 1996.
Feynman & Leighton & Sands, Lectures on Physics, Addison-Wesley Co., 1965.
Scientific American: Sept. 2001.
The Royal Swedish Academy of Sciences’ Website.

Những bài liên hệ

Giải Nobel Sinh Lý / Y Học 2006 Và Ngành Sinh Học Phân Tử
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=5113
Nhân Giải Nobel Hóa Học 2005, Nhìn Lại
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=2263
Giải Nobel Vật lý 2004 và Kiểu mẫu Tiêu chuẩn
http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=463.

http://www.vietnamreview.com/modules.php?name=News&file=article&sid=7144