Chứng kiến sự xuất hiện của các đơn cực từ nhân tạo

Sự xuất hiện của các đơn cực từ nhân tạo bên trong một vật liệu từ đặc biệt đã được các nhà vật lí ở Đức chứng kiến. Họ tin rằng những khuyết tật kiểu đơn cực này truyền qua vật liệu khi những xoáy từ nhỏ xíu gọi là skyrmion hình thành. Skyrmion có thể có những ứng dụng tiềm năng trong các kĩ thuật lưu trữ dữ liệu trong tương lai – và kiến thức mới này về hành trạng của chúng có thể là một bước quan trọng đầu tiên trong việc phát triển công nghệ này.

“Nghiên cứu mới [của chúng tôi] cho thấy cơ chế căn bản của các skyrmion có thể bị phá hủy (và do đó được tạo ra) như thế nào,” phát biểu của Christian Pfleiderer thuộc trường Đại học Kĩ thuật München, một thành viên của nhóm nghiên cứu. “Thêm nữa, một cơ chế tương ứng về mặt tô pô học với các đơn cực từ là thuộc loại hấp dẫn.” Đội nghiên cứu còn bao gồm các thành viên đến từ Đại học Kĩ thuật Dresden và Đại học Cologne.

Skyrmion là những xoáy từ nhỏ được biết là tồn tại trong những vật liệu cobalt, sắt và silicon. Chúng được phát hiện ra lần đầu tiên vào năm 2009 bởi các nghiên cứu tán xạ neutron. Chúng xuất hiện dưới dạng những cấu trúc giống như thẳng hàng chạy song song với hướng của từ trường ngoài. Sự từ hóa của một skyrmion cuộn xung quanh đường thẳng đó và các skyrmion tạo thành một mạng lưới lục giác. Mặc dù không thật sự là từ trường, nhưng các skyrmion có thể ảnh hưởng đến chuyển động của các electron theo kiểu giống với một từ trường – đó là cái khiến một số nhà vật lí mô tả chúng là một từ trường nhân tạo.

Ảnh chụp hiển vi lực từ của một mạng skyrmion trên bề mặt của một hợp chất của cobalt, sắt và silicon. (Ảnh: P Milde et al. Science 340 1076)

Cuộn quanh

Người ta nói mỗi skyrmion có một “số cuộn tô pô” khác không – đó là số lần một cấu trúc từ như vậy cuộn xung quanh một quả cầu đơn vị. Điều này có nghĩa là các xoáy không thể dễ dàng tháo xoắn thành một trạng thái từ tính bình thường. “Sự cuộn quanh tô pô có thể xem giống như một quả bóng tennis,” Pfleiderer giải thích. “Dù anh có chải nó như thế nào, sẽ luôn có một xoáy không thể nào loại bỏ được.” Các skyrmion được đặt theo tên của nhà vật lí hạt người Anh Tony Skyrme, người đã đề xuất ý tưởng lập mô hình các proton, neutron và những hạt nhân nguyên tử lớn hơn dưới dạng những cấu trúc tô pô trong một trường pion ngưng tụ.

Đội nghiên cứu đã tiến hành các phép đo trên một hợp chất cobalt-sắt-silicon mà những thí nghiệm tán xạ neutron trước đây cho thấy có chứa các skyrmion trong khối chất. Một mục tiêu của Pfleiderer và các cộng sự là để xem hình ảnh bề mặt của các skyrmion có tương ứng với cấu trúc của chúng bên dưới bề mặt đó hay không. Các nhà nghiên cứu còn muốn xác định xem có một cơ chế căn bản mà theo đó sự cuộn quanh tô pô ở một skyrmion có thể bị phá hủy hay không.

Đội nghiên cứu đã sử dụng một kính hiển vi lực từ (MFM) để lập bản đồ phân bố và hình dạng của các skyrmion trên bề mặt của mẫu chất được làm lạnh xuống khoảng 10 K và đặt trong một từ trường khoảng 20 mT. MFM giống với kính hiển vi lực nguyên tử và nó đặt một đầu nhọn từ tính nhỏ xíu rất gần với bề mặt của mẫu chất, nơi nó chịu tác dụng của lực từ cục bộ. Thiết bị này cho phép các nhà nghiên cứu lập bản vẽ vị trí của các skyrmion, chúng có đường kính trung bình khoảng 50 nm và được sắp cách nhau chừng 100 nm trong một mạng lưới hình lục giác (xem hình).

Kết lại thành đường

Các skyrmion biến mất khi từ trường giảm xuống bằng không, và đội khoa học đã tiến hành một nghiên cứu thận trọng hiện tượng này xảy ra như thế nào ở một nhiệt độ cố định. Họ thấy các skyrmion phân hủy bằng cách ráp dính với các láng giềng của chúng tạo thành những đường sọc trên bề mặt. Với từ trường bằng không, các đường đó có dạng sọc vằn da hổ. Trong khi các nhà nghiên cứu không thể thấy từng skyrmion bên trong khối mẫu, nhưng các mô phỏng máy tính cho thấy một sự ráp dính tương tự xảy ra bên dưới bề mặt.

“Sự ráp dính hoạt động giống như cái zipper,” Pfleiderer nói. “Tại một vết nhỏ xíu, sự từ hóa cục bộ bằng không. Khuyết tật này truyền theo các skyrmion, từ đó “ráp dính” chúng với nhau.” Theo Pfleiderer, khuyết tật đó tương ứng tô pô với một đơn cực từ - một hạt giả thuyết chỉ có một cực từ.

“Sự hình thành và phân hủy của các skyrmion là một vấn đề thiết yếu khi nhìn từ quan điểm của vật lí sơ cấp và các ứng dụng công nghệ,” phát biểu của Naoto Nagaosa thuộc trường Đại học Tokyo, người không có liên quan gì với nghiên cứu trên. Nagaosa cho biết khám phá này sẽ có tác động lớn đối với lĩnh vực rộng thuộc vật lí học.

Nhỏ hơn và hiệu quả hơn

Các skyrmion có thể trở thành cơ sở của công nghệ đĩa cứng trong tương lai. Các đĩa cứng ngày nay sử dụng các domain từ để lưu trữ thông tin – và có những hạn chế cơ bản đối với kích cỡ của những domain đó. Tuy nhiên, đội nghiên cứu tin rằng các skyrmion có tiềm năng là nhỏ hơn nhiều so với các domain bình thường. Do đó, có thể sử dụng chúng để chế tạo những dụng cụ lưu trữ với mật độ cao hơn nhiều – và tiêu thụ điện năng ít hơn nhiều – so với các dụng cụ hiện có.

Đội nghiên cứu hiện đang tiến hành một tìm kiếm có hệ thống nhằm tìm ra những loại vật liệu khác có khả năng cung ứng các skyrmion. Các nhà nghiên cứu cũng đang hướng tới phát triển những phương pháp mới xử lí các skyrmion.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.

Nguồn: physicsworld.com