Khám phá các mẫu fractan trong một vật liệu lượng tử

Một fractan là một mẫu hình học xuất hiện trở đi trở lại tại nhiều kích thước và quy mô khác nhau trong cùng một vật thể. Trong tự nhiên, chính tính chất “tự tương tự” như thế có thể thấy ở khắp mọi nơi, ví dụ như trong các rìa của bông hoa tuyết, mạng lưới sông ngòi, các mạch phân nhánh trong một cây dương xỉ và những chữ chi tia sét.

Hiện tại các nhà vật lý MIT và đồng nghiệp đã lần đầu tiên phát hiện ra các mẫu hình giống fractan trong một vật liệu lượng tử - loại vật liệu có được các trạng thái từ hoặc điện tử lạ như một kết quả của các hiệu ứng ở quy mô hạt nhân.

Vật liệu này là một neodymium nickel oxide (NdNiO3), một nickelate (Niken (II) oxit NiO) đất hiếm, có thể đóng vai trò như cả chất dẫn điện và chất cách điện, phụ thuộc vào nhiệt độ của nó. Nó có thể có từ tính thông qua khả năng hướng từ của nó, dù không đồng bộ trong khắp vật liệu mà giống như một phần trong “miền xác định” của nó. Mỗi phạm vi này hiện diện trên một vùng của vật liệu với một định hướng từ cụ thể, và các “miền xác định” này có thể biến đổi theo kích thước và hình thái thông qua vật liệu này.

Trong nghiên cứu của họ, các nhà nghiên cứu phát hiện ra một mẫu hình như fractan bên trong kết cấu của các phạm vi từ tính của vật liệu. Họ thấy sự phân phối của các kích thước “miền xác định” tương đồng với hiện trạng: số lượng cao hơn của những tên miền nhỏ và số lượng thấp hơn của các miền xác định lớn. Nếu soi vào bất kỳ phần nào của toàn bộ phân phối này, một mặt cắt của các miền xác định quy mô trung bình, các nhà nghiên cứu có thể thấy một số lượng lớn “miền xác định” nhỏ và lớn.

Tình trạng tương tự đã xuất hiện lặp lại trong suốt vật liệu này, không chỉ ở phạm vi kích thước hay mức độ các mẫu quan sát được – một đặc trưng mà nhóm nghiên cứu ghi nhận được như các fractan trong tự nhiên.

“Ban đầu thật khó giải mã mẫu hình ‘miền xác định’ này nhưng sau khi phân tích các thống kê phân bố ‘miền xác định’, chúng tôi nhận thấy nó có một trạng trái fractan”, Riccardo Comin, trợ lý giáo sư vật lý tại MIT, nói. “Đây là điều chúng tôi hoàn toàn không chờ đợi, thật may mắn!”

Các nhà khoa học đang khám phá neodymium nickel oxide cho một số ứng dụng,bao gồm việc tạo thành các khối cơ bản cho những thiết bị về hình thái học thần kinh – các hệ nhân tạo có khả năng bắt chước các neuron sinh học. Do một neuron có thể có hai trạng thái hoạt động và không hoạt động, phụ thuộc vào điện áp mà nó nhận được, NdNiO3 có thể trở thành chất dẫn điện hoặc cách điện. Comin nói, hiểu biết về các kết cấu điện tử và từ tính ở quy mô nano của vật liệu này là điều thiết yếu để giúp các nhà nghiên cứu có thể hiểu và thực hiện trên các vật liệu khác theo những phạm vi và cách thức tương tự.

Comin và đồng nghiệp, trong đó có cả tác giả chính của công bố và nghiên cứu sinh MIT Jiarui Li, đã xuất bản nghiên cứu trên Nature Communications.

Sử dụng ý tưởng từ chiếu sáng dân dụng 

Comin và Li không hướng đến việc tìm các fractan trong một vật liệu lượng tử. Thay vào đó, nhóm nghiên cứu đang tập trung vào hiệu ứng nhiệt độ lên ‘miền xác định’ từ tính của vật liệu này.

“Vật liệu này không mang từ tính tại mọi mức nhiệt độ”, Comin nói. “Chúng tôi muốn thấy cách các miền xác định đó được đẩy lên và phát triển một khi pha từ tính này chạm đến mức làm mát vật liệu”.

Để làm điều đó, nhóm nghiên cứu đã phải tìm cách đo đạc các miền xác định từ tính của vật liệu tại kích thước nano, kể từ khi một số miền xác định có thể nhỏ như các nguyên tử trong khi nhiều miền xác định khác có xu hướng mở rộng gấp trăm lần nguyên tử.

Các nhà nghiên cứu thường sử dụng các tia X để chứng minh các đặc tính từ của một vật liệu. Tại đây, các tia X năng lượng thấp, hay còn gọi là tia X mềm, được dùng để cảm nhận được trật tự từ và cấu hình của nó. Comin và đồng nghiệp đã thực hiện các nghiên cứu này tại Máy gia tốc Synchrotron Light Source II quốc gia thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven, nơi máy gia tốc hạt hình vòng tròn bắn các electron chạy quanh. Các chùm tia X mềm này do cỗ máy tạo ra là một công cụ tiên tiến bậc nhất để nghiên cứu về các đặc điểm của vật liệu.

“Dẫu vậy thì chùm tia X vẫn không thể dùng nghiên cứu ở kích thước nano. Vì vậy chúng tôi áp dụng một giải pháp đặc biệt cho phép nén chùm tia này xuống mức rất nhỏ, nhờ thế chúng tôi có thể vẽ bản đồ, từng điểm một sự sắp xếp của vùng xác định từ tính trong vật liệu này”.

Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã phát triển một thấu kính hội tụ tia X trên cơ sở một thiết kế đã từng được sử dụng chiếu sáng dân dụng hàng thế kỷ qua. Thí nghiệm tia X mới của họ dựa trên thấu kính Fresnel, một loại thấu kính composite được làm không chỉ từ tấm kính cong mà từ nhiều tấm kính được sắp xếp thành những thấu kính cong. Trong chiếu sáng dân dụng, một thấu kính Fresnel có thể mở vài mét, và thường được tập trung vào khuếch tán ánh sáng được tỏa ra từ một cái đèn vào một chùm tia được định hướng để hướng dẫn tàu thuyền trên biển. Nhóm nghiên cứu của Comin đã chế tạo ra một thấu kính tương tự, nhỏ hơn nhiều và mở rộng độ 150 micromet để hội tụ một chùm tia X mềm với đường kính vài trăm micromet xuống còn 70 nanomet.

“Cái đẹp của công việc này là chúng tôi sử dụng các ý tưởng từ quang hình học vốn đã được biết đến trong nhiều thế kỷ và được ứng dụng trong chiếu sáng dân dụng, và chúng tôi chỉ hạ quy mô của chúng bằng một hệ số”, Comin nói.

Các kết cấu fractan

Sử dụng thấu kính để tập trung tia X, các nhà nghiên cứu tại cơ sở máy gia tốc synchrotron Brookhaven, đã tập trung các chùm tia X mềm vào một màng mỏng neodymium nickel oxide. Sau đó, họ quét chùm tia tia X ở cấp độ nano lên khắp mẫu vật này để sắp xếp kích thước, hình dạng và định hướng miền tác định từ tính theo từng điểm. Họ đã sắp xếp mẫu vật tại các nhiệt độ khác nhau, xác nhận là vật liệu nay trở thành vật liệu từ hoặc có các vùng từ tính hình thành, thấp hơn chút ít nhiệt độ tới hạn. Trên mức nhiệt độ này, các miền xác định biến mất và trật tự từ bị khử.

Thú vị là nhóm nghiên cứu đã tìm thấy nếu các miền này được làm lạnh thì vật liệu sẽ trở lại dưới mức nhiệt độ tới hạn, các miền từ tính tái hiện gần như đúng điểm chúng từng xuất hiện trước đây

“Vì vậy nó cho thấy hệ này có trí nhớ”, Comin nói. “Loại vật liệu này còn giữ lại một ký ức về nơi các bit từ tính có thể xuất hiện. Đây là điều chúng tôi không chờ đợi bởi chúng tôi chỉ nghĩ là mình sẽ thấy sự phân bố một miền xác định hoàn toàn mới. Thế mà chúng tôi lại quan sát được mẫu hình tương tự tái xuất, ngay cả sau khi bị khử thì các bit từ tính vẫn xuất hiện cùng nhau”.

Sau khi định hình được các miền từ tính của vật liệu và đo đạc được kích thước của từng miền, các nhà nghiên cứu đã đếm số lượng của các miền thuộc kích thước cho trước, và vẽ sơ đồ các con số như một chức năng của kích thước. Phân bố của các miền cho thấy một độ dốc đi xuống, một mẫu hình mà họ đã tìm thấy trở đi trở lại, không phụ thuộc vào kích thước miền.

Comin cho biết những hiểu biết về các miền từ tính của một vật liệu sắp xếp ở kích cỡ nano và hiểu biết về trí nhớ của chúng đều hữu dụng, ví dụ trong hiết kế các neuron nhân tạo và các thiết bị lưu trữ dữ liệu có tính chất từ và bền. “Nếu vật liệu này có trí nhớ, anh có thể tạo ra một hệ có khả năng chống chịu một cách bền bỉ với những nhiễu loạn bên ngoài, vì vậy ngay cả khi bị nhiệt ảnh hưởng thì cũng không thể mất được thông tin được lưu trữ trong đó”.

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-10-scientists-fractal-patterns-quantum-material.html