Khám phá ra tinh thể có từ tính theo đường xoắn ốc lạ

Vật liệu mới được phát hiện ra này có một cấu trúc bất thường có khả năng dẫn điiện nhưng lại khiến các electron hành xử như những hạt phi khối lượng, những hạt mang từ tính có liên quan đến hướng của chuyển động. Trong các vật liệu khác, rất nhiều electron Weyl đã gợi ra những hành xử mới liên quan đến tính dẫn điện. Dẫu sao trong trường hợp này, các electron đã thúc đẩy sự hình thành tự phát đường từ xoắn trôn ốc.

“Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy một ví dụ hiếm về việc điều hướng từ tính các hạt này”, Collin Broholm, một nhà vật lý tại trường đại học Johns Hopkins và dẫn dắt thực hiện thí nghiệm tại Trung tâm nghiên cứu Neutron NIST (NCNR), nói. “Thực nghiệm của chúng tôi đã vẽ ra một hình thức độc đáo của từ tính có thể do các electron Weyl thúc đẩy”.

Phát hiện này, xuất hiện trên Nature Materials, tiết lộ một mối quan hệ phức tạp giữa các vật liệu, dòng chảy electron qua đó như dòng điện và từ tính của vật liệu 1.

Trên một nam châm tủ lạnh, thi thoảng chúng ta tưởng tượng ra các nguyên tử sắt của nó như có một thanh từ gắn lên điểm cực ‘bắc’ trong một hướng nhất định. Hình ảnh này liên quan ddeeens việc định hướng spin của nguyên tử, vốn thẳng hàng song song. Vật liệu mà nhóm nghiên cứu tìm hiểu lại hoàn toàn khác biệt. Đó là ‘bán kim loại’ được làm từ silicon và các kim loại như nhôm và neodymium. Ba nguyên tố này được tích hợp thành một tinh thể, trong đó các hợp phần nguyên tử của nó được sắp xếp theo một mẫu hình lặp lại. Tuy vậy đó là một tinh thể phát vỡ đối xứng ngược, nghĩa là mẫu hình lặp lại đó khác biệt trên từng cạnh của các tế bào đơn vị của một tinh thể - khối cơ bản nhỏ nhất của một mạng tinh thể. Sự sắp xếp này làm bền vững dòng chảy của các electron thông qua tinh thể, vốn tạo ra hành xử bất thường trên từ tính của chúng.

Độ ổn định của các electron cho thấy tự nó là một sự đồng nhất trong hướng của các spin của chúng. Trong phần lớn vật liệu dẫn điện, như dây đồng, các electron chuyển động qua dây dẫn có các spin điểm theo những hướng ngẫu nhiên. Trong vật liệu bán kim loại, đối xứng bị phá vỡ chuyển đổi dòng electron thành các electron Weyl, vốn có spin được định hướng trong hướng của electron di chuyển hoặc trong hướng đối diện. Chính việc ‘khóa’ các spin của những electron Weyl theo hướng chuyển động của chúng – động lượng của chúng – là nguyên nhân dẫn đến hành xử từ tính hiếm của bán kim loại.

Ba dạng nguyên tử của vật liệu này đều có tính dẫn điện, cung cấp cơ hội cho electron khi chúng nhảy từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Dẫu yaaj chỉ có các nguyên tử neodymium (Nd) thể hiện được từ tính. Chúng dễ bị các electron Weyl tác động và điều này khiến cho nguyên tử Nd spin theo đường khác. Nhìn lại bất cứ hành xử của các nguyên tử Nd nào, người ta cũng sẽ thấy nhóm nghiên cứu chỉ ra “một xoắn ốc spin”.

“Một cách đơn giản để hình dung ra spin của một nguyên tử Nd điểm ở vị trí 12 giờ, sau đó lad ở vị trí 4 giờ rồi 8 giờ”, Broholm nói. “Sau đó mẫu hình này lặp lại. Mạng spin đẹp này do các electron Weyl định hướng khi chúng di chuyển đến gần các nguyên tử Nd ‘láng giềng’”.

Đó là kết quả của của sự hợp tác giữa nhiều nhóm nghiên cứu trong Viện nghiên cứu Vật chất lượng tử tại trường đại học Johns Hopkins. Nó bao gồm những nhóm làm về tổng hợp tinh thể, các tính toán số phức tạp và thực nghiệm tán xạ neutron. 

“Với tán xạ neutron, chúng tôi may mắn có được nhiều thời gian thực nghiệm trên chùm tia nhiễu xạ neutron tại Trung tâm nghiên cứu Neutron của NIST”, Jonathan Gaudet, một trong những đồng tác giả của nghiên cứu, nói. “Không có cơ hội này, chúng tôi có thể để lỡ nhiều cái đẹp của vật lý mới.

Mỗi vòng của spin xoắn ốc dài khỏng 150 nano mét, và các đường xoắn ốc chỉ xuất hiện ở các mức nhiệt độ lạnh dưới 7 K. Broholm nói có những vật liệu với những đặc tính tương tự có chức năng ở nhiệt độ phòng, và chúng có thể rất khó để tạo ra các thiết bị ghi nhớ từ hiệu quả. “Công nghệ nhớ từ giống như đĩa cứng đòi hỏi bạn tạo ra một từ trường cho chúng hoạt động”, ông nói. “Với lớp vật liệu này, anh có thể lưu trữ thông tin mà không cần phải áp vào một từ trường. Việc đọc và viết thông tin về mặt điện từ nhanh hơn và hiệu quả hơn nhiều”.

Việc hiểu biết về những hiệu ứng mà các electron Weyl định hướng có thể rọi ánh sáng mới vào các vật liệu khác. “Về cơ bản, chúng ta có thể có khả năng tạo ra vô số vật liệu có những đặc tính  spin bên trong – và có thể chúng ta đã có, Broholm nói. “Chúng ta đã tạo ra nhiều cấu trúc từ tính mà chính bản thân chúng ta không thể hiểu ngay ra được. Khi thấy được các đặc tính đặc biệt của từ tính trung gian Weyl, chúng ta có thể cuối cùng mới hiểu được nó và sử dụng các cấu trúc từ lạ cho nhiều mục đích khác nhau”.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-08-scientists-crystal-exotic-spiral-magnetism.html

https://www.nist.gov/news-events/news/2021/08/scientists-discover-crystal-exhibiting-exotic-spiral-magnetism

---------------------------

1. https://www.nature.com/articles/s41563-021-01062-8