Spin ice: con đường mới của từ học trong thế kỷ 21?

(Bài viết giới thiệu những chân trời vật lý mới của tôi trên Vật lý Việt Nam).

Vật liệu từ (magnetic materials) đã được phát triển mạnh mẽ nhất trong gần 100 năm qua, và đã có rất nhiều ứng dụng to lớn trong đời sống cũng như trong công nghệ (điện tử, y tế,…). Từ những ứng dụng đơn giản như các la bàn cổ điển từ rất xa xưa, đến các nam châm nhỏ đến lớn, các nguyên lý cơ bản của từ học đã được khám phá để tạo ra những vật liệu từ đặc biệt cho các ứng dụng công nghệ cao. Có thể nói rằng hiểu biết của con người về từ học đã khá đầy đủ (dù chưa hoàn toàn hoàn thiện) và dường như giới nghiên cứu từ học đang dần đi đến con đường cuối cùng của tìm ra những vấn đề rất mới cho từ học trong thế kỷ mới. Các vấn đề cuối cùng mang tính chất công nghệ của từ học hiện nay đang là những vấn đề nóng bỏng cho tương lai:

–          Tìm ra các vật liệu từ thích hợp cho công nghệ tương lai spintronics, trong đó bao gồm tìm kiếm các vật liệu có độ phân cực spin 100%, các vật liệu bán dẫn từ có nhiệt độ Curie cao và các môi trường có khả năng truyền tải độ phân cực spin mà không bị mất mát…

–          Tìm ra vật liệu cho các nam châm tổ hợp siêu mạnh

–          Tìm ra vật liệu có hiệu ứng từ nhiệt cho kỹ thuật làm lạnh từ nhiệt không gây ô nhiễm, tiết kiệm năng lượng

–          Các vật liệu từ tính tạo ra bằng cách kết hợp các mômen từ nguyên tử – nam châm phân tử.

Một thách thức cho ngành từ học là tìm ra một con đường mới, nhằm vạch ra những hướng nghiên cứu mới cho tương lai xa trong thế kỷ 21 và sau đó.

Từ năm 1931, nhà vật lý người Anh Paul Dirac đã đưa ra giả thiết về các đơn cực từ. Nếu đơn cực từ được chứng minh là tồn tại, nó sẽ giúp cho việc phát triển của lý thuyết trường lượng tử và các lý thuyết thống nhất. Nhưng trong nhiều năm, chưa từng có một bằng chứng thực nghiệm nào chứng minh được sự tồn tại của đơn cực từ và các nhà vật lý thường cho rằng: đơn cực từ không tồn tại.

Hình 1. Cấu trúc spin trong spin ice.

Năm 2008, các nhà vật lý từ Đại học Oxford (Anh quốc) cùng kết hợp với các đồng nghiệp ở Dresden (Đức) và Princeton (Hoa Kỳ) đã công bố một kết quả mới rất đáng chú ý về khả năng tìm ra đơn cực từ từ việc nghiên cứu các vật liệu phân tử spin ice (1). Đây vẫn là các vật liệu rắn, nhưng có cấu trúc mômen từ rất giống với cấu hình của nước: tức là các spin được tạo ra từ bốn nguyên tử nằm trên một tứ diện (tương tự như cấu trúc tinh thể của nước đá). Bốn mômen từ này liên kết với nhau thông qua tương tác phản sắt từ và định hướng bất thỏa với nhau. Trường tinh thể mạnh bắt buộc các mômen từ phải hướng ra ngoài theo trục của tứ diện. Ở nhiệt độ thấp (dưới 2K), cấu trúc này cho phép tạo ra một chuẩn hạt mang một đơn cực từ, và độ lớn được xác định là 5 Bohr magneton. Nghiên cứu này đã mở ra một hướng nghiên cứu mới về các vật liệu spin ice như một hướng nghiên cứu cơ bản đầy triển vọng trong từ học, hứa hẹn những đóng góp lớn cho việc xây dựng lý thuyết thống nhất, và như một luồng gió mới thổi vào ngành từ học đang bắt đầu đi đến bế tắc.

Hình 2. Mô hình tạo mômen đơn cực từ trong spin ice.

Tham khảo và đọc thêm

(1) C. Castelnovo et al., Nature 541, 42-45 (2008).

(2) S. T. Bramwell et al., Nature 461, 956-959 (2009).

(3) D. J. P. Morris et al., Science 326, 411-414 (2009).

(4) Michel J. P. Gingras, Science 326, 375-376 (2009).

(5) W. R. Branford et al., Science 335, 1597-1600 (2012).

(6) http://physicsworld.com/cws/article/news/40673

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s