Phân tử bị kéo căng đưa spin mới vào electron

alt

Giản đồ của một phân tử gốc cobalt đang bị kéo căng ra giữa hai điện cực vàng. (Ảnh: Dan Ralph)

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa phát minh ra một phương pháp đo các tính chất từ của một đơn phân tử khi nó bị kéo căng. Kĩ thuật trên mang lại một cách tiếp cận mới cho việc nghiên cứu hóa học lượng tử và spin của một electron ảnh hưởng như thế nào đến đường đi của nó qua những cấu trúc nhỏ xíu. Kĩ thuật trên một ngày nào đó còn có thể dùng cho các dụng cụ điện tử học spin, chúng sử dụng spin của electron để xử lí và lưu trữ thông tin.

Kĩ thuật trên khảo sát một hiệu ứng đã được giải thích lần đầu tiên hồi năm 1964 bởi nhà vật lí người Nhật Bản Jun Kondo. Ông đã chứng tỏ rằng, ở những nhiệt độ rất thấp, một electron dẫn trong không như vàng có thể ghép cặp với một electron có spin ngược hướng đi cùng với một chất tinh khiết từ tính (thí dụ như sắt). Mối liên hệ này lấy mất khả năng dẫn điện của electron, đem lại sự giảm độ dẫn của kim loại ở những điều kiện lạnh lẽo này.

Các nhà vật lí đã quan sát thấy sự giảm ở nhiệt độ thấp này của độ dẫn – gọi là “hiệu ứng Kondo” - ở một số vật liệu nguyên khối. Tuy nhiên, có thể xảy ra hiện tượng rất khác khi các electron đương đầu với một chất tinh khiết từ tính, thí dụ một phân tử từ tính hoặc một chấm lượng tử từ tính. Các nghiên cứu về electron chạy từ một điện cực kim loại sang điện cực kia qua chất tinh khiết từ tính cho thấy một cực đại nhọn trong độ dẫn của chấm hoặc của phân tử ở điện áp bằng không – đặt tên là “cộng hưởng Kondo”.

Nhảy qua rào cản

Đối với các phân tử hoặc chấm lượng tử phi từ tính, sự dẫn điện bị chi phối bởi lực đẩy tĩnh điện giữa một electron trong kim loại và một electron trong phân tử hay trong chấm đó. Mọi electron muốn nhảy từ một điện cực và sang một phân tử hoặc chấm lượng tử phải vượt qua hàng rào này. Tuy nhiên, trong một hệ từ tính, cũng chính sự tương tác ghép cặp mà Kondo mô tả làm hạ thấp rào cản này, cho phép một electron nhảy lên phân tử hoặc chấm – và sau đó nhảy khỏi phía bên kia.

Mặc dù hiệu ứng này đã được trông thấy ở các chấm và phân tử có một electron từ tính (các hệ spin ½), nhưng việc nghiên cứu nó trong các hệ spin cao hơn có thể làm sáng tỏ thêm về các electron dẫn hành xử như thế nào trong các vật liệu từ tính. Nay, một đội đừng đầu là Dan Ralph tại Đại học Cornell đã lần đầu tiên nghiên cứu một cộng hưởng Kondo trong một phân tử spin 1. Các nhà nghiên cứu còn chứng tỏ được rằng sự cộng hưởng đó có thể điều chỉnh bằng cách kéo căng phân tử ra dọc theo một hướng nhất định.

Trạng thái bộ ba

Trong thí nghiệm trên, đội nghiên cứu sử dụng kĩ thuật in li tô để trước tiên tạo ra một cầu nối bằng vàng chỉ dài 500 nm và dày và rộng vài chục nm trên một chất nền silicon. Một đoạn ở chính giữa của cầu nối bị lấy bỏ và một đơn phân tử, gồm một nguyên tử từ tính (cobalt) và sáu vòng pyridine, được thay vào chỗ của nó.

Cobalt có hai electron từ tính tự sắp xếp chúng thành một trạng thái bộ ba – một tập hợp ba trạng thái lượng tử với năng lượng giống hệt nhau. Cả hai spin hướng cùng chiều nhau, mang lại cho cobalt spin tổng bằng 1. Khi mẫu được làm lạnh xuống khoảng 1,6 K, đội nghiên cứu để ý thấy một sự giảm mạnh ở điện trở của phân tử đó tại điện áp zero đặt vào – dấu hiệu của một cộng hưởng Kondo.

Ralph và các đồng nghiệp sau đó đã kéo căng phân tử đó ra đến 0,08 nm bằng cách uốn cong chất nền silicon. Họ thấy cộng hưởng Kondo bị tách thành hai cực đại, mỗi cực đại ở một phía của điện áp zero đặt vào. Theo Ralph, sự phân tách này xảy ra vì việc kéo căng phân tử làm hỏng mất sự đối xứng lập phương của phân tử đó vốn là nguyên do cho các trạng thái bộ ba có năng lượng bằng nhau hết. Thay vào đó, một trạng thái giảm năng lượng và cỡ giảm liên quan đến cỡ của sự phân tách.

Đội nghiên cứu đã xác nhận bản chất từ tính của sự phân tách đó bằng cách lặp lại thí nghiệm trong một từ trường ngoài. Khi thiết lập trường vuông góc với hướng kéo căng, thì sự phân tách lớn dần lên khi cường độ trường tăng lên. Tuy nhiên, khi trường đặt vào song song với hướng kéo căng, thì cỡ của sự phân tách thay đổi đáng kể khi cường độ trường biến thiên. Theo Ralph, hành vi này xác nhận rằng họ đang quan sát thấy một cộng hưởng Kondo ở một phân tử spin 1.

Ralph và các đồng nghiệp còn khảo sát sự dẫn điện ở điện áp zero biến đổi như thế nào khi mẫu được làm ấm từ 1,6 K lên 30 K. Sự giảm độ dẫn được trông đợi cho một cộng hưởng Kondo spin 1.

‘Thí nghiệm quan trọng’

Pablo Jarillo-Herrero thuộc Viện Công nghệ Massachusetts mô tả công trình trên là “một thí nghiệm quan trọng” có thể dẫn đến các phép tính hóa lượng tử tốt hơn, cái mang lại các trạng thái spin của một phân tử. Ông còn tin rằng công trình trên có mang lại sự phát triển của các bộ nhớ từ nhỏ xíu lưu trữ thông tin dưới dạng trạng thái spin của phân tử đó. Công trình trên còn có thể đưa đến sự phát triển những nguồn electron phân cực spin mới và các công tắc có thể mở/tắt dòng spin.

Ralph cho biết đội của ông hiện đang cố gắng lặp lại thí nghiệm trên sử dụng các điện cực làm bằng một kim loại từ tính thay cho vàng. Điều này sẽ cho phép các electron phân cực spin được đưa vào trong phân tử - đó có thể là bước tiến quan trọng đầu tiên hướng đến chỗ chế tạo các dụng cụ “điện tử học spin”.