Buzz
Các nhà khoa học đã tìm ra một dạng từ tính mới, khó nắm bắt, có tiềm năng giải quyết những bí ẩn lâu đời về vật liệu siêu dẫn.
Trong một bước tiến đáng kể, nhóm nghiên cứu tại Đại học Nottingham, Anh, đã lần đầu tiên chứng minh sự tồn tại của từ tính biến đổi – một dạng từ tính thứ ba. Nghiên cứu này, được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 11 tháng 12, không chỉ có ý nghĩa khoa học sâu sắc mà còn mở ra tiềm năng cách mạng hóa công nghệ lưu trữ từ tính tốc độ cao và giải quyết các thách thức trong lĩnh vực siêu dẫn.
Trước đây, khoa học chỉ công nhận hai loại từ tính chính: sắt từ và phản sắt từ. Sắt từ, loại phổ biến nhất, có các mômen từ nguyên tử thẳng hàng và cùng hướng, tương tự như kim la bàn (nam châm thông thường thuộc loại này). Ngược lại, phản sắt từ có các mômen từ lân cận đối nghịch nhau, tạo ra sự cân bằng giống như các ô đen và trắng trên bàn cờ. Dù cả hai đều quan trọng trong công nghệ hiện đại, chúng vẫn có những hạn chế khi ứng dụng vào thiết bị lưu trữ và xử lý thông tin.
Từ tính biến đổi, được đề xuất lần đầu vào năm 2022, là một trạng thái trung gian độc đáo. Trong loại vật liệu này, các mômen từ đối nghịch nhau nhưng có sự xoắn nhẹ so với các nguyên tử lân cận, tạo ra đặc tính giống sắt từ. Nhờ đó, từ tính biến đổi kết hợp ưu điểm của cả sắt từ và phản sắt từ. Theo Alfred Dudding, nghiên cứu sinh tại Đại học Nottingham và đồng tác giả nghiên cứu, từ tính biến đổi có thể lưu trữ và đọc dữ liệu nhanh như sắt từ, đồng thời duy trì độ ổn định và an toàn của phản sắt từ.
Đặc điểm độc đáo của từ tính biến đổi bắt nguồn từ hiện tượng phá vỡ đối xứng đảo ngược thời gian. Trong các hệ thống vật lý thông thường, việc đảo ngược thời gian không làm thay đổi hành vi của hạt. Tuy nhiên, trong vật liệu từ tính, đảo ngược thời gian không chỉ thay đổi hướng chuyển động của electron mà còn đảo ngược spin lượng tử và mômen từ, tạo ra sự bất đối xứng rõ rệt. Hiện tượng này không xuất hiện trong vật liệu sắt từ hay phản sắt từ thông thường, mở ra tiềm năng phát triển công nghệ spintronics.
Spintronics, hay điện tử spin, là lĩnh vực công nghệ tiên tiến sử dụng spin lượng tử của electron thay vì chỉ dựa vào điện tích như trong thiết bị truyền thống. Nhờ spintronics, các thiết bị có thể đạt tốc độ xử lý cao hơn và tiêu thụ ít năng lượng hơn. Với khả năng điều chỉnh và ổn định spin lượng tử, từ tính biến đổi hứa hẹn trở thành nền tảng lý tưởng cho các thiết bị spintronics thế hệ mới.
Để chứng minh sự tồn tại của từ tính biến đổi, nhóm nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm trên vật liệu mangan telluride – vốn được xem là phản sắt từ trước đây. Bằng cách sử dụng kính hiển vi quang điện tử, họ đã chụp được hình ảnh chi tiết về cấu trúc từ tính của vật liệu. Kỹ thuật này dựa trên việc phân cực tia X để khám phá các khía cạnh khác nhau của từ tính. Ánh sáng phân cực tròn giúp họ quan sát hiện tượng phá vỡ đối xứng đảo ngược thời gian – dấu hiệu đặc trưng của từ tính biến đổi, trong khi tia X phân cực theo chiều ngang hoặc dọc xác định hướng của các mômen từ.
Kết hợp dữ liệu từ hai phương pháp trên, nhóm nghiên cứu đã tạo ra bản đồ chi tiết đầu tiên về cấu trúc từ tính của mangan telluride. Đây là bước đột phá quan trọng, cung cấp bằng chứng thuyết phục về sự tồn tại của từ tính biến đổi và làm rõ các đặc tính độc đáo của nó. Họ cũng phát triển nhiều thiết bị điện từ dựa trên vật liệu từ tính biến đổi, mở ra hướng ứng dụng mới.
Một trong những thành tựu nổi bật của nghiên cứu là việc tạo ra các cấu trúc xoáy từ tính phức tạp như hình lục giác và hình tam giác. Những cấu trúc này không chỉ có tính thẩm mỹ cao mà còn mang tiềm năng ứng dụng lớn trong lưu trữ và truyền tải thông tin. Nhờ tính ổn định và đối xứng, chúng được coi là chất mang thông tin lý tưởng cho công nghệ spintronics, chứng minh giá trị thực tiễn của từ tính biến đổi.
Ngoài ứng dụng trong spintronics, từ tính biến đổi còn hứa hẹn tạo bước đột phá trong lĩnh vực siêu dẫn. Siêu dẫn, hiện tượng vật liệu có điện trở bằng không ở nhiệt độ cực thấp, vẫn còn nhiều bí ẩn chưa được giải đáp. Theo Alfred Dudding, từ tính biến đổi có thể là chìa khóa giải thích sự bất đối xứng trong cấu trúc vật liệu siêu dẫn, nhờ khả năng phá vỡ đối xứng đảo ngược thời gian.
Phát hiện về từ tính biến đổi không chỉ mở ra hướng nghiên cứu mới mà còn đặt nền móng cho đổi mới công nghệ. Với khả năng kết hợp tốc độ, ổn định và an toàn, nó có thể cách mạng hóa thiết bị lưu trữ dữ liệu, nâng cao hiệu suất điện tử và thúc đẩy công nghệ xanh tiết kiệm năng lượng.
Tuy nhiên, nghiên cứu này mới chỉ là khởi đầu. Các nhà khoa học cần tiếp tục khám phá tính chất và tiềm năng của từ tính biến đổi, đồng thời tối ưu hóa quy trình sản xuất và ứng dụng trên quy mô lớn. Oliver Amin, một trong những tác giả chính, chia sẻ: “Chúng tôi mới chỉ hiểu được một phần nhỏ tiềm năng của từ tính biến đổi. Trong tương lai, nó có thể thay đổi cách chúng ta thiết kế và sử dụng thiết bị điện tử.”
Với tiềm năng to lớn, từ tính biến đổi không chỉ là phát hiện đột phá trong vật lý vật liệu mà còn định hình tương lai công nghệ. Trong thế giới phụ thuộc vào dữ liệu và điện tử, ứng dụng của từ tính biến đổi sẽ đóng vai trò quan trọng trong xây dựng kỷ nguyên công nghệ mới, nơi tốc độ, hiệu quả và bền vững được ưu tiên hàng đầu.
