Địa chỉ bạn đã tải:

http://mientayvn.com/Cao%20hoc%20quang%20dien%20tu/Semina%20tren%20lop/seminar.html

Nơi bạn có thể thảo luận:

http://myyagy.com/mientay/ Dịch tài liệu trực tuyến miễn phí

:

http://mientayvn.com/dich_tieng_anh_chuyen_nghanh.html

Dự án dịch học liệu mở

:

http://mientayvn.com/OCW/MIT/Co.html

Liên hệ với người quản lí trang web

:

Yahoo: [email protected]

Gmail: [email protected]

Chương 3.

Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở TỪ ĐIỆN TRỞ

Nguyên lý cơ bản của hiện tượng tử điện trở ( MR) là sự thay đổi điện trở của vật liệu hay của một cấu trúc như một hàm của từ trường ngoài: Định nghĩa trên bao gồm nhiều các cơ chế khác nhau tạo ra hiệu ứng vĩ mô trên.

Tuy nhiên, trở kháng từ (magnetoimpedance), một hiện tượng bao gồm các thay đổi của tổng số trở kháng (trong đó R là một số thực và X là thành phần ảo) của một dây dẫn sắt từ trong một từ trường ngoài, H ext , khi một dòng điện thay đổi tần số cao : chảy qua nó [3], nên không được coi là Từ điện trở.

Hiện tượng Từ điện trở có thể được tìm thấy trong các chất bán dẫn cổ điển, đặc biệt, trong chất bán dẫn từ Bởi vì các hiệu ứng Hall, nguồn gốc của nó là trong lực lượng Lorentz. Độ lệch của đường dòng điện do từ trường tạo ra tăng chiều dài của đường dẫn điện, sau đó, tăng điện trở hiệu dụng, được mô tả bởi ở đây R 0 là điện trở tại từ trường không.

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

3. Từ trở dị hướng ( AMR).

Hiệu ứng này cũng được William Thomson phát hiện vào năm 1857 khi quan sát thấy điện trở của các vật liệu sắt và niken phụ thuộc vào góc giữa dòng điện chiều của véctơ từ độ. Hiệu ứng này phát hiện trong nhiều chất bán dẫn và nhiều màng mỏng từ.

•

Điện trở phụ thuộc vào sự định hướng tương đối của M và dòng điện I.

* Nguồn gốc là: + sự tán xạ không đối xứng của các electron

theo spin của chúng trong từ truờng

.

+ do liên kết spin-quỹ đạo.

7

Hiệu ứng AMR được mô tả như là một thay đổi trong sự tán xạ do các quỹ đạo nguyên tử, gây ra bởi một từ trường.

Bằng cách này, điện trở là cực đại khi cả hai hướng song song và ở mức cực thiểu là khi cả hai hướng vuông góc. Biểu thức toán học: Hàm này đạt giá trị cực đại tại góc 45 0,

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

4. Từ trở khổng lồ (GMR).

9

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở Kết quả về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ trong các siêu mạng Fe/Cr phát hiện bởi nhóm của Albert Fert 10

( C ) Schematic of the mechanism of the GMR. In the parallel magnetic configuration (bottom), the electrons of one of the spin directions can go easily through all the magnetic layers and the short circuit through this channel leads to a small resistance. In the antiparallel configuration (top), the electrons of each channel are slowed down every second magnetic layer and the resistance is high. From Chappert etal.,2007.

Cấu trúc vùng năng lượng chi tiết và chính xác của các kim loại Fem Co m Ni, và Cu được trình bày trên hình ….Ta thấy rằng,nói chung phân vùng 3d với các spin thuận chủ yếu nằm ở dưới mức năng lượng Fermi và hầu như bị lấp đầy hoàn toàn , còn phân vùng 3d với spin nghịch có cắt mức năng lượng Fermi. Bức tranh này hoàn toàn áp dụng được cho hai nghuyên tố sắt từ mạnh Co và Ni. Đối với Fe ( chất sắt từ yếu), mật độ trạng thái của các spin thuận ở mức Fermi vẫn tồn tại nhung nhỏ hơn nhiều so với trạng thái spin nghịch.

Dộ dẫn điện tổng cộng  là tổng của độ dẫn điện của các hạt tải đa số  +và các hạt tải thiểu số  . Độ dẫn được mô tả bằng biểu thức sau:  +,- = nse2  s+,- / m*s, trong đó ns,  s , m*s là nồng độ, thời gian hồi phục và khối lượng hiệu dụng của các điện tử dẫn 4s. Dấu + và – chỉ các hạt tải đa số và thiểu số.

Khi các hạt tải thiểu số tán xạ, chúng ta có thể giả thiết rằng quá trình đảo hướng spin không xảy ra.( hay nói theo cách khác là spin được bảo toàn sau khi tán xạ) nhưng các chuyển dời tới các mức năng lượng 4s- và 3d- còn trống hoàn toàn có khả năng xảy ra. Trong trường hợp này, chính các mức năng lượng còn trông này như là một cái bẫy để lưu giữ các hạt tải thiểu số lại đó, gây nên điện trở. Về bản chất , ảnh hưởng của các trạng thái d ở gần mức Fermi đến tính chất chuyển được hiểu theo 3 luận điểm sau đây:

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Cơ chế của hiệu ứng GMR

Điện trở của các chất rắn được tạo ra do sự tán xạ của điện tử, và các đóng góp cho sự tán xạ này gồm: Tán xạ trên mạng tinh thể do dao động mạng tinh thể gọi là tán xạ trên phonon. Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính, gọi là tán xạ trên magnon. Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể (defect). Gần đây còn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán xạ của điện tử trên các polaron từ để giải thích hiệu ứng CMR. Như vậy, hiệu ứng GMR có được là do sự tán xạ của điện tử trên magnon. Khi có các phần tử mang từ tính (ví dụ các lớp sắt từ trong các màng đa lớp hay các hạt siêu thuận từ trong các màng hợp kim dị thể) có sự định hướng khác nhau về mômen từ (do tác động của từ trường ngoài), sẽ dẫn đến sự thay đổi về tính chất tán xạ của điện tử và do đó sẽ làm thay đổi điện trở của chất rắn. Một cách chính xác hơn, hiệu ứng GMR trong các màng đa lớp được giải thích bằng mô hình hai dòng điện của Mott (đề ra từ năm 1936).

Mô hình hai dòng của Mott để giải thích hiệu ứng GMR

13

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ có thể được giải thích với sự tổ hợp đồng thời của ba giả thiết sau: 1.

Vì độ dày của lớp không từ chỉ vào cỡ 1nm, tức là nhỏ hơn hoặc xấp xỉ bằng quãng đường tự do trung bình của các điện tử, nên điện tử có khả năng vượt qua lớp đệm không từ tính để chuyển động từ lớp từ tính này sang lớp từ tính khác.

2.

Khi chuyển động trong các lớp vật liệu có từ tính hoặc trong vùng chuyển tiếp với các lớp từ tính, sự tán xạ của các điện tử phụ thuộc vào sự định hướng spin của chúng.

3.

Định hướng tương đối của các véc tơ độ từ hóa trong các lớp có thể thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài.

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Mô hình GMR vừa trình bày dựa trên mô hình hai dòng điện ( dòng điện của các điện tử có các spin thuận và dòng điện của các điện tử có các spin nghịch) và cơ chế tán xạ phụ thuộc spin của điện tử. Đó chính là cơ chế tán xạ s-d ( tức là tán xạ của các điện tử s trên các trạng thái d ở gần mức Fermi). Một số lý thuyết khác cũng đã được đề xuất dựa trên cơ chế sự phụ thuộc cấu trúc vùng của cấu hình từ.

Một cách chi tiết hơn, các lý thuyết còn có thể mô tả một cách riêng biệt cho hiệu ứng GMR đối với cấu hình có dòng điện trong mặt phẳng (CIP), hoặc có dòng điện vuông góc với mặt phẳng màng.(CPP) Trong cấu hình CIP-GMR, sự chuyển động từ lớp này sang lới khác chỉ có thể xảy ra nhờ chuyển động nhiệt. Trong cấu hình CPP-GMR, các điện tử bắt buộc phải chuyển qua nhiều lớp interface. Khi đó hiệu ứng bẫy spin xảy ra tại các vùng chuyển tiếp, được xem là một trong các cơ chế quan trọng có thể sử dụng để phát triễn và hoàn thiện lý thuyết về GMR. Hạn chế của cấu hình CPP là điện trở của mẫu trở nên rất nhỏ theo phương vuông góc với mặt phẳng màng, làm cho việc đo đạc rất khó khăn.

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở Ứng dụng của hiệu ứng GMR

Kể từ năm 1992, hiệu ứng GMR bắt đầu được ứng dụng trong các đầu đọc dữ liệu của ổ đĩa cứng máy tính thay cho các đầu đọc sử dụng hiệu ứng từ điện trở dị hướng cũ, làm tăng tốc độ đọc ghi thông tin. Người ta sử dụng các màng mỏng valse-spin để cho các ứng dụng này. Một ưu điểm khiến chúng dễ dàng thay thế là khả năng chống nhiễu và chống ồn rất cao. Ứng dụng trong việc chế tạo các cảm biến từ trường nhạy, các cảm biến đo gia tốc... Một ứng dụng lớn nhất mở ra từ hiệu ứng này là việc phát triển các linh kiện spintronics, các linh kiện điện tử thế hệ mới hoạt động dựa trên việc điều khiển dòng spin của điện tử. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ, từ điện trở chui hầm là hai trụ cột của spintronics.

16

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

.

5. Liên kết từ trong vật liệu đa lớp.

Hệ số từ trở dao động theo chu kỳ của độ dày của lớp đồng ( do tương tác trao đổi dạng dao động) Ba kiểu liên kết: - Sắt từ Phản sắt từ Liên kết kiểu 90 0 17

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

6. Các cơ chế liên kết khác trong vật liệu đa lớp.

18

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

7. Từ trỡ tại điểm làm việc.

+ Trước năm 1997 các đầu đọc dựa trên –

AMR

+ Từ sau đó, các đầu đọc dựa trên –

GMR

( hình học CIP hay CPP) 19

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Từ trỡ tại điểm làm việc.

• Trong ghi từ, 20

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Từ trỡ tại điểm làm việc.

21

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

8. Từ trở khổng lồ (GMR)

• Trong cấu trúc GMR, sự định hướng của các độ từ hóa phải thay đổi dưới từ trường ngoài.

+ Vật liệu nhiều lớp với các + Cấu trúc van spin.

trường kháng từ khác nhau.

22

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

.

Từ trở khổng lồ (GMR)

23

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Từ trở khổng lồ (GMR)

• Vật lý của GMR Độ dẫn phụ thuộc spin trong các kim loại sắt từ.

24

Trong kim loại sắt từ , dòng điện thường được xem xét với hai dòng hạt tải khác nhau với tên gọi là dòng của các hạt tải đa số và hạt tải thiểu số tương ứng với các điện tử có các spin thuận nghịch. Khái niệm đa số và thiểu số sử dụng ở đây có lý do xuất phát từ số lượng các điện tử có spin thuận và spin nghich trong các phân vùng năng lượng 3d, ở đó do có sự tách vùng và phân vùng năng lượng của các điện tủ có spin thuận có năng lượng thấp hơn phân vùng năng lượng của các điện tử có spin nghịch. Theo nguyên tắc tối ưu về mặt năng lượng, phân vùng spin thuận bao giờ cũng chiếm nhiều điện tử hơn, Các điện tử đa số quyết định chiều của độ từ hóa và hiệu số của số lượng các điện tử đa số và thiểu số quyết định độ lớn của độ từ hóa. Người ta cũng giả thiết rằng , trong các kim loại sắt từ, các hạt tải điện chủ yếu là các điện tử s ( vì các điện tử d có khối lượng hiệu dụng lớn.). Trong trường hợp này, vùng năng lượng s không bị tách, nên nói chung só điện tử s có spin thuận và spin nghịch giống nhau .

Cấu trúc của các vùng năng lượng 3d và 4s trong các kim loại sắt từ được minh họa trên hình

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Mô hình hai dòng Là khái niệm được đề xuất năm 1935 bởi Mott để giải thích các tính chất bất thường của điện trở trong các kim loại sắt từ. Mott cho rằng ở nhiệt độ đủ thấp sao cho tán xạ trên magnon đủ nhỏ thì các dòng chuyển dời điện tử chiếm đa số (có spin song song với từ độ) và thiểu số (có spin đối song song với từ độ) sẽ không bị pha trộn trong quá trình tán xạ. Sự dẫn điện có thể coi là tổng hợp của hai dòng độc lập và không cân bằng của hai loại spin có chiều khác nhau. Các lớp phản sắt từ (ví dụ Cr ) hay phi từ (ví dụ Cu ) đóng vai trò ngăn cách giữa các lớp sắt từ, khiến cho mômen từ của các lớp sắt từ phải có sự định hướng khác nhau sao cho có sự cân bằng về từ độ. Sự tác động của từ trường ngoài dẫn đến việc thay đổi sự định hướng của mômen từ ở mỗi lớp, dẫn đến sự thay đổi về dòng dẫn của các spin

phân cực, và dẫn đến sự thay đổi về điện trở suất.

27

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Từ trở khổng lồ (GMR)

Cơ chế của GMR.

Cấu hình P (paralel). Cấu hình AP (anti paralel), Có thể dùng được : + trong hình học CIP (curent in plan)nếu độ dày << quãng đường tự do trung bình λ + Trong hình học CPP nếu độ dày << quãng đường khuếch tán spin l sf .

28

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

9. Sự tích trữ spin.( accumulation).

Độ dài khuếch tán spin l sf là khoảng độ dài của CPP – GMR.

Nó là độ dài mà trong đó sự phân cưc kéo dài.

l sf (Cu) = 500 nm l sf (Co) = 60 nm l sf ( Ni) = 6 nm 29

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

10. Từ trở tunel ( xuyên hầm).

TIẾP XÚC XUYÊN HẦM TỪ TÍNH ( MTJ) Một tiếp xúc tunnel từ tính (MTJ) gồm có hai lớp kim loại từ tính, chẳng hạn cobal- sắt, được cách ly bởi một lớp cực mỏng chất cách điện, như oxit nhôm với độ dày cỡ 1 nm. Lớp cách điện mỏng sao cho các điện tử có thể xuyên hầm qua hàng rào nếu thế hiệu dịch được đặt lên giữa hai điện cực kim loại. Trong TMJ dòng điện tunnel phụ thuộc vào sự định hướng tương đối của các độ từ hóa của hai lớp sắt từ.mà có thể thay đổi bằng một điện trường ngoài. Hiện tượng này được gọi là Từ điện trở xuyên hầm (TMR)

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

10. Từ trở tunel ( xuyên hầm).

Hiên nay các tiếp xúc xuyên hầm dựa trên các vật liệu sắt từ kim loại chuyển tiếp và các hàng rào Al 2 O 3 có thể được tạo ra với các đặc trưng có thể tái tạo lại và các giá trị TMR cho đến 50% tại nhiệt độ phòng. Gần đây các giá trị lớn của TMR đã được quan sát thấy trong tiếp xúc (MTJ) tinh thể với các hàng rào MgO trong sự xuyên hầm phụ thuộc spin. Các tiếp xúc xuyên hầm từ tính (TMJ) đang hứa hẹn những ứng dụng trong công nghiệp tích trữ thông tin và sensor.

Các tiếp xúc chui hầm từ tính được chế tạo bằng công nghệ màng mỏng. Với quy mô công nghiệp các lắng đọng màng được thực hiện bằng phún xạ magnetron. ở quy mô phòng thí nghiệm việc lắng đọng bằng phương pháp Epitaxy chùm phân tử, lắng đọng xung laser và lắng đọng hơi vật lý tia điện tử cũng được sử dụng. Các tiếp xúc được chuẩn bị bằng phương pháp Quang khắc.

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

10. Từ trở tunel ( xuyên hầm).

Từ điện trở chui hầm (TMR) là một hiệu ứng từ điện trở xảy ra tại các tiếp xúc chui hầm từ tính (MTJs). Đây là một cấu hình gồm hai chất sắt từ được ngăn cách bởi một chất cách điện mỏng. Nếu lớp cách điện mỏng là đủ mỏng (thường là một vài nanomet), các điện tử có thể từ một trong những vật liệu sắt từ xuyên qua đường hầm vào chất sắt từ kia. Bởi vì quá trình này không thể xảy ra trong vật lý cổ điển, nên các Từ điện trở xuyên hầm là một hiện tượng trong cơ học lượng tử.

Mô hình tiếp xúc xuyên hầm từ tính

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở .

10. Từ trở tunel ( xuyên hầm).

Là hiệu ứng từ trở xảy ra khi các lớp sắt từ bị ngăn cách bởi các lớp mỏng cách điện cho phép điện tử xuyên hầm qua các lớp cách điện này, và tán xạ trên các lớp sắt từ, gây ra hiệu ứng từ trở lớn.

• Các hiệu ứng sự dịch chuyển phụ thuộc spin không chỉ có mặt trong vùng dẫn kim loại , mà còn trong vùng dẫn tunel.

• Trong các dụng cụ, điện trở cao nghĩa là sự tiêu thụ công suất thấp cho cùng tín hiệu lối ra.

High R for AP configuration Hiệu ứng spin = sự dịch chuyển bảo toàn spin.

Low R for P configuration 38

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Đối với các tiếp xúc từ chui hầm có 2 lớp sắt từ kẹp giữa bởi một lớp điện môi, tỉ số từ điện trở (trong trường hợp này sử dụng là TMR) phụ thuộc vào độ phân cực spin của 2 lớp ( P 1, P 2), và được cho bởi công thức [4] : Từ điện trở chui hầm hiểu đơn giản là sự thay đổi lớn của điện trở suất xảy ra ở các tiếp xúc từ chui hầm, là các màng mỏng với các lớp màng mỏng sắt từ được ngăn cách bởi lớp điện môi, đóng vai trò lớp rào ngăn cách chuyển động của điện tử. Khi chiều dày lớp điện môi đủ mỏng, hiệu ứng chui hầm lượng tử sẽ xảy ra, cho phép điện tử xuyên qua rào thế của lớp điện môi, tạo thành sự dẫn điện, và do sự tán xạ trên các lớp sắt từ, điện trở của màng sẽ bị thay đổi tùy theo sự định hướng của mômen từ của các lớp sắt từ.

Hiệu ứng từ điện trở chui hầm thực chất được phát hiện từ năm 1975 bởi nhóm nghiên cứu của Michel Julliere khi phát hiện ra hiệu ứng này xảy ra trong hệ màng đa lớp Fe/Ge/Co, xảy ra ở nhiệt độ thấp tới 4,2 Kelvin với lớp

germanium (Ge) đóng vai trò là một lớp điện môi [1] 40

Các sự phụ thuộc của TMR

Các lý thuyết để giải thích

The Julli ère Model – Counting Electronic States

Key quantities

: Spin-resolved densities of states (DOS) of the electrodes DOS of a normal metal (Cu) DOS of a ferromagnetic metal (Co) Ref.: M. Julli ère, Phys. Lett. A

54

(1975) 225.

The Julli ère Model – Counting Electronic States

Tunneling probability

/ densities of states Zero bias: E = E F

Tunnel magneto-resistance

Spin polarisation of an electrode

11. Vật lý của từ trở tunel (TMR)

CƠ CHẾ VẬT LÝ CỦA CÁC HIỆU ỨNG TMR Trong kim loại sắt từ , dòng điện thường được xem xét với hai dòng hạt tải khác nhau với tên gọi là dòng của các hạt tải đa số và hạt tải thiểu số tương ứng với các điện tử có các spin thuận nghịch. Khái niệm đa số và thiểu số sử dụng ở đây có lý do xuất phát từ số lượng các điện tử có spin thuận và spin nghich trong các phân vùng năng lượng 3d, ở đó do có sự tách vùng và phân vùng năng lượng của các điện tủ có spin thuận có năng lượng thấp hơn phân vùng năng lượng của các điện tử có spin nghịch. Theo nguyên tắc tối ưu về mặt năng lượng, phân vùng spin thuận bao giờ cũng chiếm nhiều điện tử hơn, Các điện tử đa số quyết định chiều của độ từ hóa và hiệu số của số lượng các điện tử đa số và thiểu số quyết định độ lớn của độ từ hóa. Người ta cũng giả thiết rằng , trong các kim loại sắt từ, các hạt tải điện chủ yếu là các điện tử s ( vì các điện tử d có khối lượng hiệu dụng lớn.). Trong trường hợp này, vùng năng lượng s không bị tách, nên nói chung só điện tử s có spin thuận và spin nghịch giống nhau.

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

11. Vật lý của từ trở tunel (TMR)

• Trên cơ sở của model của Jullière, Hiện tượng TMR là do sự phân cực spin tại mức fermi.

47

Chương 3. Màng đa lớp và hiệu ứng từ điện trở

Mô hình của Julliere dựa trên hai giả thiết: 1 Người ta thừa nhận spin của các điện tử được bảo toàn trong quá trình tunel. Sự tunel của các điện tử spin-up và spin-down là hai quá trình độc lập, vì vậy độ dãn xảy ra trong hai channel spin độc lập. Theo như giả thiế này thì các điện tử có nguồn gốc từ trạng thái spin của màng sắt từ thứ nhất được tiếp nhận bởi các trạng thái không đầy của cùng spin của màng thứ hai. Nếu như hai màng sắy từ được từ hoá song song thì các spin thiểu số sẽ tunel đến các trạng thái thiểu số và các spin đa số tunel đến các trạng thái đa số. Song nếu như hai màng được từ hoá phản song song thì tính đồng nhất của các điện tử spin-đa số và spin-thiểu số sẽ thay đổi ngược lại, vì vậy các spin-đa số của màng thứ nhất sẽ tunel đến các trạng thái thiểu số của màng thứ hai và ngược lại.

2- Người tathừa nhận rằng sự dẫn đối với một sự định hướng spin đặc biệt sẽ tỷ lệ với tích của mật độ hiệu dụng của các trạng thái của hai điện cực sắt từ.

Theo như hai giả thiết này thì dòng tunel đối với sự sắp xếp song song và phản song song thì TMR có thể được viết theo

48

The Slonczewski Model – Tunneling of Free Electrons

Idea

: Tunneling proceeds mainly via delocalized electrons (s & p electrons) – assume

free electrons

in a

one-dimensional system Scattering at a step barrier

Zero bias: E = E F Determination of the total wavefunction by continuity Transmissivity of an electron Transmission factor

Tunnel magneto-resistance

Electrode spin polarisation Ref.: J.C. Slonczewski, Phys. Rev. B

39

(1989) 6995.

Ứng dụng của từ điện trở chui hầm

1. Spintronics Mô hình một số linh kiện spintronics: a) spin diode, b,c,d) spin transistor

Mục tiêu quan trọng của spintronics là hiểu về cơ chế tương tác giữa spin của các hạt và môi trường chất rắn, từ đó có thể điều khiển cả về mật độ cũng như sự chuyển vận (

transportation

) của dòng spin trong vật liệu. Những câu hỏi lớn được đặt ra cho ngành spintronics là: 1. Cách nào hiệu quả nhất để phân cực một hệ spin? 2. Một hệ spin có thể nhớ trạng thái định hướng trong bao lâu? 3. Làm thế nào để ghi nhận spin?

Các khái niệm và thao tác trên linh kiện spintronics Độ phân cực

: Hiểu một cách đơn giản là tỉ lệ sai lệch giữa spin định hướng theo 2 chiều lên và xuống, được cho bởi công thức: với lần lượt là mật độ spin up và spin down.

Dòng phân cực spin

: Là khái niệm được đề xuất năm 1935 bởi Mott để giải thích các tính chất bất thường của điện trở trong các kim loại sắt từ. Mott cho rằng ở nhiệt độ đủ thấp sao cho tán xạ trên magnon đủ nhỏ thì các dòng chuyển dời điện tử chiếm đa số (có spin song song với từ độ) và thiểu số (có spin đối song song với từ độ) sẽ không bị pha trộn trong quá trình tán xạ. Sự dẫn điện có thể coi là tổng hợp của hai dòng độc lập và không cân bằng của hai loại spin có chiều khác nhau. Đó chính là khái niệm về dòng phân cực spin. Và mô hình của Mott được gọi là mô hình hai dòng điện, và sau đó được nhóm của Campel mở rộng vào năm 19367, và sau đó tiếp tục được bổ sung hoàn thiện và là một khái niệm quan trọng để mô tả hiệu ứng từ điện trở cũng như các quá trình trong linh kiện spintronics.

Tiêm spin, bơm spin

Truyền dẫn spin Tích lũy spin : Trong một số chất ở trạng thái sắt từ, mật độ spin up và down là cân bằng nhau và không tạo ra dòng phân cực spin và không hữu ích cho các linh kiện spintronics. Người ta có thể tạo ra các dòng phân cực spin trong các chất này bằng cách dùng các nguồn để đưa dòng phân cực spin vào từ bên ngoài, gọi là quá trình tiêm spin (spin injection) hay bơm spin (spin pumping).

Bộ nhớ không tự phá hủy ( MRAM)