Lần đầu tiên chụp ảnh trực tiếp các đơn cực từ

Các nhà khoa học đã chụp được những hình ảnh trực tiếp đầu tiên của các đơn cực từ vốn đã được nghĩ ra trên lí thuyết từ đầu những năm 1930 bởi nhà vật lí người Anh-Thụy Sĩ Dirac, ông đã chỉ ra sự tồn tại của chúng là phù hợp với lí thuyết tối hậu của vật chất – thuyết lượng tử.

Ảnh thể hiện 12 micro mét x 12 micro mét của siêu chất liệu từ nhân tạo, trong đó các đơn cực từ có thể nhìn thấy tại mỗi đầu của các dây Dirac, nhìn thấy dưới dạng các vạch tối. Các vùng tối tương ứng với các hòn đảo từ nơi sự từ hóa bị đảo ngược. (Ảnh: Viện Paul Scherrer)

Theo các kết quả công bố trên tờ tạp chí khoa học hàng đầu Nature Physics vào hôm 17 tháng 10 năm 2010, thì các nhà khoa học đã có thể chụp ảnh trực tiếp các đơn cực từ bằng cách sử dụng bức xạ tia X cường độ cao phát ra từ Nguồn Sáng Thụy Sĩ tại Viện Paul Scherrer.

“Một đơn cực từ một hạt ‘giả định’ là một nam châm có duy nhất một cực từ”, theo nhà vật lí lí thuyết, giáo sư Hans-Benjamin Braun ở Khoa Vật lí, trường Đại học College Dublin (UCD), người cùng lãnh đạo nghiên cứu trên với tiến sĩ Laura Heyderman thuộc Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ.

“Một số lí thuyết quan trọng nhất giải thích vật chất lượng tử hành xử như thế nào trong vũ trụ xây dựng trên sự tồn tại của chúng, nhưng chúng đã lãng tránh sự ghi ảnh trực tiếp kể từ khi lần đầu tiên chúng được hình thành trên lí thuyết hồi thập niên 1930”.

“Lần đầu tiên chúng tôi đã chụp ảnh trực tiếp các đơn cực từ xuất hiện bên trong một siêu chất liệu nano sản xuất nhân tạo gồm những nam châm nhỏ xíu có kích cỡ chừng hai trăm nano mét”, giáo sư Braun giải thích.

Đúng như Dirac tiên đoán, các đơn cực từ đã được các nhà nghiên cứu quan sát thấy xuất hiện cùng với “các dây gắn” – cái gọi là ‘dây Dirac’ dẫn từ thông vào đơn cực từ theo kiểu giống hệt như cách vòi tưới vườn đưa nước vào bình phun.

Đội khoa học đã có thể chụp những hình ảnh trực tiếp đầu tiên của các đơn cực từ khó nắm bắt trên cùng với các dây Dirac gắn liền với chúng ở nhiệt độ phòng.

Ảnh minh họa các đơn cực từ biểu diễn dưới dạng những quả cầu lớn nằm tại các đầu dây Dirac. Các lưỡng cực được biểu diễn dạng các quả tạ từ tích và dây Dirac tương ứng với một dây tạ bị đảo lộn thể hiện bằng màu đen.

Các thí nghiệm cho thấy trực tiếp làm thế nào cực bắc và cực nam phân tách với nhau trong một trường ngoài, tạo ra dây Dirac trên đường đi của chúng, “một thực tế mà chúng tôi có thể giải thích trong khuôn khổ một mô hình lí thuyết”, theo lời nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ Remo Hügli, người cùng với giáo sư Braun xây dựng lí thuyết cho thí nghiệm trên.

Khi các nhà nghiên cứu khảo sát cách các đơn cực từ di chuyển, họ nhận thấy mỗi lần họ tăng từ trường đặt vào thì chúng kích thích một đợt thác đảo ngược từ hóa của những hòn đảo từ liền kề, giống như một hàng domino bị đổ. Những loại thác lở này không chỉ hạn chế với các hệ từ, mà ngoài các đối tác băng và tuyết của chúng, chúng còn có thể tự biểu hiện trong cát, trong những trận động đất, và trong sự khủng hoảng thị trường chứng khoán.

Nghiên cứu trên, do Tổ chức Khoa học Ireland và Tổ chức Khoa học quốc gia Thụy Sĩ tài trợ, cuối cùng có thể hỗ trợ các nhà khoa học trong việc tìm hiểu cách thức các đơn cực từ có thể đã tương tác trong vũ trụ sơ khai.

Nhưng, các kết quả trên cũng còn có tác dụng với các ứng dụng dễ thấy hơn trong công nghệ truyền và lưu trữ dữ liệu. Cho đến nay, chỉ có các điện tích được sử dụng trong xử lí thông tin và việc sử dụng các từ tích có thể mang lại lợi thế đáng kể về công suất tiêu thụ và tốc độ xử lí.

Các đĩa cứng hiện nay lưu trữ dữ liệu bằng phương pháp từ tính, và thế hệ tiếp theo của chúng có khả năng nhất sẽ được chế tạo từ những nam châm độc lập nhỏ xíu thuộc loại đã được khảo sát trong nghiên cứu này. Như vậy, với kiến thức được cải thiện về hành trạng của các đơn cực từ, các nhà khoa học sẽ có thể phát triển các ổ đĩa cứng với mật độ lưu trữ dữ liệu cao hơn và tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn.

Được phôi thai bởi nhà vật lí lí thuyết người Anh-Thụy Sĩ, Paul Dirac, vào năm 1931, các đơn cực từ đã được Castelnovo, Moessner và Sondhi đề xuất là xuất hiện dưới dạng các giả hạt trong cái gọi là các hệ băng spin pyrochlore, vào năm 2008.

Bằng chứng ban đầu cho các đơn cực từ như vậy và các dây Dirac đi cùng trong các hệ pyrochlore tại nhiệt độ thấp đã được báo cáo vào tháng 10 năm 2009 bởi các nhà khoa học người Nhật Bản, Đức, Pháp, và Anh. Nghiên cứu hiện nay cung cấp thêm bằng chứng không gian trực tiếp đầu tiên cho các đơn cực từ và dây Dirac đi cùng. Hệ vật liệu sản xuất nhân tạo trên cho phép thao tác với các đơn cực từ ở nhiệt độ phòng, một tiến bộ đáng kể mở ra cánh cửa rộng bước sang các ứng dụng trong lĩnh vực lưu trữ dữ liệu.

Nguồn: Đại học College Dublin, PhysOrg.com