Buzz
Hiện tượng này hứa hẹn mang đến bước tiến trong công nghệ làm lạnh hiện đại, nơi kiểm soát nhiệt độ ở cấp độ lượng tử giữ vai trò then chốt.
Chưa đầy mười năm trước, các nhà khoa học phát hiện một trạng thái vật chất lạ, khi electron trong một hợp chất đặc biệt thể hiện hành vi đối lập: một phần hoàn toàn trật tự, phần còn lại thì hỗn loạn hoàn toàn. Trạng thái đó gọi là “nửa lửa, nửa băng” (half fire, half ice).
Hiện tại, giới nghiên cứu đã tìm ra trạng thái ngược lại: “băng – lửa đảo ngược”, xuất hiện trong những điều kiện cực kỳ đặc thù.
Trạng thái nghịch đảo trong vật liệu từ tính đặc biệt
Khám phá mới dựa trên vật liệu từ tính Sr₃CuIrO₆ — hợp chất gồm strontium, đồng, iridi và oxy. Năm 2016, Alexei Tsvelik và Weiguo Yin từ Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (Mỹ) đã nghiên cứu và lần đầu phát hiện trạng thái “nửa lửa, nửa băng” khi thay đổi nhiệt độ và áp dụng từ trường ngoài.
Trong trạng thái đó, electron ở vị trí nguyên tử đồng (Cu) có spin hỗn loạn hoàn toàn — giống như ngọn lửa nhảy múa không kiểm soát — trong khi spin ở vị trí iridi (Ir) lại sắp xếp trật tự, tựa như băng giá tĩnh lặng.
Tuy nhiên, với phát hiện mới nhất, nhóm nghiên cứu thấy rằng trong một điều kiện cực kỳ đặc biệt, trạng thái này hoàn toàn đảo ngược: spin tại nguyên tử đồng trở nên “đóng băng” có trật tự, trong khi spin ở nguyên tử iridi lại hỗn loạn, nóng bỏng và rối ren.
Điều đáng chú ý là quá trình chuyển pha diễn ra một cách đột ngột, khiến các nhà khoa học tin rằng đây có thể là nền tảng cho nhiều ứng dụng đầy hứa hẹn trong tương lai.
Tiềm năng ứng dụng trong điện toán lượng tử và spintronics
"Việc phát hiện các trạng thái mới với những tính chất vật lý độc đáo – cùng khả năng hiểu và kiểm soát sự chuyển đổi giữa chúng – là một trong những thách thức cốt lõi của vật lý vật chất ngưng tụ và khoa học vật liệu," tiến sĩ Yin chia sẻ.
"Giải quyết những thách thức này có thể mở ra những bước tiến đột phá trong các công nghệ như điện toán lượng tử và spintronics," ông nhấn mạnh thêm.
Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu còn nhận định rằng hiện tượng chuyển pha sắc nét giữa “lửa” và “băng” có thể được tận dụng trong công nghệ lưu trữ lượng tử: thay vì chỉ là 0 và 1 trong hệ nhị phân truyền thống, người ta có thể dùng chính các trạng thái “fire/ice” hoặc “ice/fire” để mã hóa thông tin.
Hơn thế nữa, hiện tượng này mở rộng cơ hội phát triển các công nghệ làm lạnh tiên tiến, nơi việc điều khiển nhiệt độ ở mức lượng tử trở nên vô cùng quan trọng.
"Tiếp theo, chúng tôi sẽ nghiên cứu hiện tượng băng-lửa trong các hệ spin lượng tử, kết hợp sự tương tác giữa mạng tinh thể, điện tích và quỹ đạo," tiến sĩ Yin chia sẻ. "Cánh cửa mở ra nhiều khả năng mới đang rộng mở trước mắt."
Nghiên cứu này vừa được đăng tải trên tạp chí Physical Review Letters.
