Những trạng thái spin lạ ở chất liệu gốc đồng

Giống hệt như nước, băng và hơi nước là những pha của cùng một chất liệu bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và áp suất, nghiên cứu mới cho thấy sự chuyển trạng thái hoạt động như thế nào trong những mạng tinh thể rất đơn giản chú yếu cấu tạo từ đồng.

Khi cố gắng tìm hiểu nhiều hiện tượng phân tử đa dạng, như từ tính và sự siêu dẫn, các nhà nghiên cứu nhìn vào “trạng thái spin” của các hạt nằm trên một mạng tinh thể. Không giống như nhiều người mạng tinh thể, chúng khảo sát vị trí của các hạt hay nguyên tử trong ba chiều không gian, một thí nghiệm mới tiến hành tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne ở Mĩ nghiên cứu phản ứng của những mạng đơn giản hơn có hai chiều trước những áp suất cực lớn.

Tác giả của nghiên cứu trên, nhà vật lí Sara Haravifard tại trường Đại học Chicago, giải thích rằng nghiên cứu trên chứng minh một kết quả trước đây người ta chỉ trông đợi có trên lí thuyết. “Việc tìm hiểu các spin tương tác với nhau như thế nào là cái quan trọng để chúng ta có được bức tranh của hành trạng của những hệ phức tạp hơn,” bà nói.

Nghiên cứu mới cho thấy sự chuyển trạng thái hoạt động như thế nào ở những mạng tinh thể rất đơn giản cấu tạo từ đồng

Chất liệu được nghiên cứu, strontium đồng borate, biểu hiện hai trạng thái cơ bản tách biệt nhau. Trong một trạng thái, các spin chồng chất bằng không, nên chất liệu không có từ tính. Trong trạng thái kia, hệ sẽ đi vào một trạng thái có trật tự, và chất liệu biểu hiện một dạng từ tính đặc biệt gọi là “phản sắt từ”.

Theo Haravifard, cấu trúc spin của chất liệu chủ yếu bị điều khiển bởi các liên hệ cơ lượng tử giữa các phân tử đồng, thanh ra ảnh hưởng đến trạng thái nào trong hai trạng thái cơ bản mà mạng sẽ có khả năng chiếm giữ nhất. “Câu trả lời cho câu hỏi chất liệu thật sự sẽ trông như thế nào tùy thuộc vào tương tác giữa từng láng giềng gần nhất của đồng,” bà nói.

Tia X năng lượng cao tạo ra bởi Nguồn Photon Tiên tiến tại Argonne chỉ làm sáng tỏ một phần đặc trưng của chất liệu trên. “Trong trường hợp này, tia X có thể ‘nhìn thấy’ cấu trúc tinh thể của mạng, chứ không phải từ tính,” Haravifard nói.

Tuy nhiên, bà cho biết thêm rằng cả mạng tinh thể và hành trạng từ tính đều diễn tiến song song với nhiệt độ. Haravifard và đội của bà đã sử dụng các ô đe kim cương để tạo ra áp suất cực cao cần thiết để quan sát sự biến đổi ở trạng thái cơ bản đó.

“Cái quan trọng nên nhận ra là nếu chúng ta có thể hiểu chính xác chất liệu này biến đổi như thế nào khi chúng ta điều chỉnh áp suất tác dụng vào, thì chúng ta có thể điều khiển sự hình thành của những trạng thái cơ bản khác nhau,” bà nói. “Trong hệ này, cái tự nhiên cho chúng ta biết là có sự kết hợp từ tính rất mạnh và cấu trúc mạng.”

Về lâu dài, nghiên cứu Haravifard về các trạng thái spin có thể “bắt nhịp cầu nối” đến những họ hàng chất liệu mới lạ với những tính chất “có thể điều khiển được”. Những hành trạng tương tự đã được quan sát thấy ở các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, và sự thao tác đã tiến hành trong nghiên cứu mới “bổ sung thêm kiến thức lí thuyết của chúng ta về những chất liệu này”, Haravifard nói.

Trọng Nhân – thuvienvatly.com
Nguồn: Argonne National Laboratory (web)