Điện tử học spin

Điện tử học spin (tiếng Anh: "spintronics") là một ngành đa lĩnh vực mà mục tiêu chính là thao tác và điều khiển các bậc tự do của spin trong các hệ chất rắn. Nói một cách đơn giản, spintronics là một ngành nghiên cứu mới nhằm tạo ra các linh kiện mới dựa trên việc điều khiển và thao tác spin của điện tử.
Spin của điện tử.
Điện tử có hai đặc tính rất quan trọng là điện tích và spin. Điện tích của điện tử được gọi là điện tích nguyên tố và có giá trị đặc trưng là e = 1,6.10−19 C (mang dấu âm), và đã được con người khai thác từ rất lâu mà đặc trưng đơn giản đó là dòng điện. Các linh kiện điện tử truyền thống sử dụng điện trường để điều khiển điện tích của điện tử trong các linh kiện.
Spin là một đặc trưng của điện tử, được hiểu một cách đơn giản là tạo ra từ việc điện tử (mang điện tích) chuyển động quay quanh trục của nó giống như Trái Đất và các hành tinh... tạo nên mômen động lượng spin và mômen từ spin. Spin của điện tử có độ lớn là formula_1, và có thể định hướng theo 2 chiều là chiều lên (spin up) và chiều xuống (spin down).
Mômen từ spin của điện tử có giá trị:
formula_2
μB = 9.274 009 49(80) × 10−24 J·Tesla−1 là Magneton Bohr, đơn vị của mômen từ, g = 2,0023 cho điện tử tự do goi là thừa số Landé.
Thực tế mô tả spin như chuyển động quay chỉ là cách mô tả đơn giản mang tính chất hình ảnh nhưng không hoàn toàn chính xác, spin thực tế là đặc trưng của các hạt cơ bản. Các hạt cơ bản có spin bán nguyên gọi là các fermion, chúng tuân theo phân bố Fermi-Dirac, còn các hạt cơ bản có spin nguyên gọi là các boson, chúng tuân theo phân bố Bose-Einstein.
Sự ra đời của spintronics.
Sự hình thành của spintronics xuất phát từ những phát kiến về hiệu ứng từ điện trở. Spintronics bắt đầu ra đời với sự phát hiện của hiệu ứng từ điện trở khổng lồ ("giant magnetoresistance" - GMR) được phát hiện vào năm 1988, đồng thời bởi 2 nhóm nghiên cứu ở Pháp lãnh đạo bởi Albert Fert và ở Đức do Peter Grünberg đứng đầu và hiệu ứng từ điện trở chui hầm ("tunneling magnetoresistance" - TMR) vào năm 1995. Hai tác giả đứng đầu hai nhóm này là Albert Fert và Peter Grünberg đã nhận được giải thưởng Nobel Vật lý năm 2007 cho những đóng góp quan trọng cho sự hình thành của spintronics trên cơ sở phát minh về hiệu ứng từ điện trở khổng lồ.
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:
Các khái niệm và thao tác trên linh kiện spintronics.
với formula_4 lần lượt là mật độ spin up và spin down.
Vào thời điểm hiện tại, các nghiên cứu về spintronics có hai xu hướng:
Các linh kiện dựa trên các vật liệu từ kim loại.
Hướng nghiên cứu này phát triển dựa trên các thành tựu về hiệu ứng từ điện trở, tạo ra từ các màng mỏng kim loại sắt từ. Sản phẩm ở mức độ thương phẩm của hướng nghiên cứu này là ổ cứng dung lượng cao, bộ nhớ RAM từ điện trở... Hướng nghiên cứu này đang trở nên mạnh mẽ và rất có triển vọng phát triển thành hiện thực với sự phát triển của dòng linh kiện điều khiển các vách đômen trong các cấu trúc nano từ tính. Việc điều khiển động học của các vách đômen cho phép tạo ra các cổng lôgic, các bộ nhớ... với chất lượng cao và cơ cấu rất đơn giản.
Hướng nghiên cứu dựa trên các linh kiện bán dẫn.
Hướng nghiên cứu này tạo ra các linh kiện spintronic dựa trên việc điều khiển dòng điện tử phân cực spin trong các vật liệu bán dẫn. Để tạo ra được linh kiện loại này thì việc tiêm spin, điều khiển spin và ghi nhận spin phân cực trong chất bán dẫn đóng vai trò then chốt. Hiện hướng nghiên cứu này đang gặp những cản trở lớn:
Một số linh kiện spintronics.
Một cách tương đối, có thể chia các linh kiện spintronics thành 3 thế hệ: 
Cảm biến van spin thuộc thế hệ linh kiện đầu tiên đã được chế tạo và đưa vào sử dụng ở mức độ thương phẩm từ cuối thế kỷ 20. Một số linh kiện điển hình của thế hệ này là kính hiển vi từ điện trở, đầu đọc ghi ổ cứng tốc độ cao, phím bấm không tiếp xúc, động cơ không chổi than, giải mã vạch, đếm tốc độ, máy trợ thính... Các bộ nhớ MRAM không tự xóa đang bắt đầu có sản phẩm thương phẩm, và được dự đoán là sẽ chiếm lĩnh thị trường thương mại và tiêu dùng trong những năm gần đây.