Lần đầu tạo ra nam châm hai chiều

Với nam châm có độ dày cỡ một nguyên tử, các nhà nghiên cứu có thể thực hiện được nhiều thí nghiệm không thể thực hiện ở thời gian trước đây.

Một dạng từ tính của crôm iôdua mới được bổ sung vào gia đình vật liệu 2D

Kể từ khi tìm ra graphene vào năm 2004, số lượng những vật liệu 2 chiều (2D) được khám phá đã tăng lên. Tuy nhiên bộ sưu tập các chất bán dẫn, chất điện môi và siêu dẫn có độ dày đơn nguyên tử còn thiếu một thành viên – các chất từ tính. Trên thực tế, cho đến gần đây thì các nhà vật lý vẫn chưa chắc chắn là có thể tạo ra các nam châm 2D.  

Qua công trình xuất bản trên Nature vào 7/6, các nhà nghiên cứu thông báo đã chế tạo ra nam châm 2D thực sự đầu tiên, được làm bằng hợp chất có tên gọi là crôm iôdua. Khám phá này có thể dẫn đến việc ra đời những thiết bị lưu trữ dữ liệu mới và thiết kế các máy tính lượng tử. Các nam châm 2D sẽ giúp cho các nhà vật lý thực hiện được nhiều thí nghiệm mà trước đây tưởng chừng không thể thực hiện được và kiểm nghiệm các lý thuyết cơ bản về từ tính.

Trước khi gặp nhau vào năm 2016, Pablo Jarillo-Herrero, nhà vật lý các chất cô đặc tại Viện Công nghệ Massachusetts ở Cambridge và Xiaodong Xu, nhà nghiên cứu quang điện tử học tại trường đại học Washington ở Seattle, cũng từng nghiên cứu độc lập về nam châm 2D. Họ đã quyết định hợp lực để nghiên cứu, “đấy là vấn đề nguyên lý – có một thứ lớn gì đó bị bỏ qua”, Jarillo-Herrero cho biết.

Tính chất từ tính

Xu và Jarillo-Herrero nghiên cứu về hợp chất vô cơ crôm iôdua vì nó là một tinh thể bao gồm các tấm xếp chồng lên nhau và có thể tách ra bằng phương pháp băng dính Scotch: cách tạo ra vật liệu 2D bằng việc dùng dải băng dính để tách ra những lớp mỏng hơn. Các nhà vật lý cũng bị hợp chất này thu hút bởi các tính chất từ tính của nó. 

Giống như các nam châm làm lạnh, crôm iôdua là một chất sắt từ, loại vật liệu phát ra một từ trường cố định do các spin của electron sắp thẳng hàng. Crôm iôdua có tính chất bất đẳng hướng, nghĩa là các electron của nó có chiều spin ưu tiên – trong trường hợp này, chiều vuông góc với bề mặt tinh thể. Các thuộc tính cơ bản này khiến Xu và Jarillo-Herrero nghi crôm iôdua còn có thể giữ được các đặc tính từ tính khi tách ra thành một đơn lớp các nguyên tử. Đó là những gì mà các vật liệu 2D khác không thể làm được.

Nhóm nghiên cứu của Jarillo-Herrero nuôi cấy các tinh thể crôm iôdua và tách thành các tấm đơn lớp và đa lớp trong khi nhóm nghiên cứu của Xu nghiên cứu các mẫu bằng từ kế siêu nhạy.

Các nhà nghiên cứu tìm thấy không chỉ một ở lớp đơn nguyên tử nam châm crôm iôdua mà còn thấy tính chất từ này xuất hiện ở nhiệt độ được coi là tương đối không quá thấp – 228 độ C. Họ còn khám phá thấy rằng phiến hai lớp của loại vật liệu này không có từ tính nhưng khi đưa thêm phiến thứ ba vào thì nó trở lại là vật liệu chất sắt từ. Vật liệu này cũng giữ lại tính chất từ nếu lớp thứ tư được đưa thêm vào, nhưng lại có thêm những tính chất khác mà hiện các nhà nghiên cứu vẫn còn đang tìm hiểu.

Phương pháp trong các nam châm

Ngoài Jarillo-Herrero và Xu còn có nhiều người khác nghiên cứu về nam châm 2D. Vào tháng 4 vừa qua, một nhóm nghiên cứu khác đã công bố quan sát được từ tính trong tinh thể cực mỏng tạo từ crôm, gecmani và telua. Một nam châm 2D thực thụ có thể giữ được từ tính tại lớp đơn nguyên tử nhưng tinh thể cực mỏng này chỉ có từ tính khi có đa lớp. 

Các kết quả đều có ý nghĩa đáng kể, Nitin Samarth, một nhà vật lý các chất cô đặc tại Đại học Bang Pennsylvania tại University Park và mới có bài phân tích xu hướng nghiên cứu vật liệu từ tính 2D gần đây, đánh giá. Trước các khám phá này, “chúng ta chưa có một phương pháp khái quát chế tạo ra những vật liệu từ tính 2D đích thực”, ông cho biết. Từ những năm 1970, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra và nghiên cứu các nam châm cực mỏng nhưng tất cả các kết quả chỉ là các vật liệu lỗ chỗ nham nhở chứ không phải là vật liệu 2D thực sự.

Các nhà vật lý vẫn ao ước tìm được một nam châm 2D có thể hoạt động ở nhiệt độ phòng và không được bảo vệ khỏi bị ô xy hóa để có thể dùng trong ngành điện dân dụng. Hiện nay, Jarillo-Herrero và Xu đang tìm kiếm thêm những nam châm 2D khác trong họ hóa học của crôm iôdua và nghiên cứu những vật liệu mà họ tạo ra.

Jarillo-Herrero muốn xếp lớp nam châm 2D với một chất siêu dẫn 2D và xem chuyện gì sẽ xảy ra. Trong một nam châm, spin của electron tất cả sắp thẳng hàng; trong chất siêu dẫn, chúng được xếp thành các cặp ngược nhau. Jarillo-Herrero tự hỏi, “liệu siêu dẫn sẽ phá hủy sắt từ hay sắt từ sẽ phá hủy siêu dẫn? Trước nay vẫn chưa thểthực hiện được thí nghiệm này”.

Samarth cho rằng, vẫn còn quá sớm để nói rằng liệu có điều gì cơ bản mới về vật lý được phát hiện ở đây không nhưng hiện tại các nhà vật lý có thể thực nghiệm với các nam châm 2D và họ hứng thú để tìm kiếm thêm những tính chất mới của nó.

Thanh Nhàn dịch

PGS. TS. Trần Minh Tiến (Viện Vật lý, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) hiệu đính

Nguồn: http://www.nature.com/news/physicists-have-finally-created-a-2d-magnet-1.22115