Lần đầu tiên thấy điệu nhảy spin ở cấp độ nano
Lần đầu tiên, các sóng spin, hay còn gọi là các magnon, đã được quan sát trực tiếp ở cấp độ nano. Đột phá này đã trở nên có thể khi các nhà nghiên cứu kết hợp kính hiển vi điện tử có độ phân giải ở mức năng lượng cao với một phương pháp lý thuyết được phát triển tại ĐH Uppsala.
Các kết quả mở ra những cơ hội mới cho nghiên cứu và kiểm soát từ tính tại cấp độ nano.
“Chúng tôi giờ có thể nhìn thấy mọi magnon và từng bước nhảy của chúng ở cấp độ nano! Cho đến giờ, mới chỉ các magnon trên bề mặt được nhìn thấy thoáng qua ở độ phân giải này. Nó giống như việc ngồi ở hàng ghết đầu xem một màn trình diễn mà từ trước tới nay chưa ai có thể xem một cách trọn vẹn”, theo José Ángel Castellanos-Reyes, đồng tác giả thứ nhất của công trình nghiên cứu và là nhà nghiên cứu tại ĐH Uppsala.
Hiện tượng từ tính của vật liệu như sắt và nickel là một hệ quả của “nam châm nhỏ” gắn vào các nguyên tử của nó, gọi là các spin nguyên tử. Trong các vật liệu có từ tính, các spin ở các nguyên tử khác nhau cùng nhảy theo một chuyển động đồng bộ gọi là các sóng spin hoặc các magnon.
Các magnon đóng một vai trò chủ chốt trong một lĩnh vực nghiên cứu đang phát triển nhanh chóng, magnonics, nơi các sóng spin thường được dùng để mang thông tin thay vì các điện tích. Magnonics có tiềm năng dẫn đến thế hệ các loại điện tử thế hệ mới, mở ra những công nghệ chế tạo các thiết bị vận hành nhanh hơn nhưng nhỏ hơn và hiệu quả năng lượng hơn so với những hệ thống tích điện hiện nay.
Bất chấp tầm quan trọng của nó, các magnon gần như không thể quan sát được ở cấp độ nano bằng những công nghệ hiện hành. Một thách thức lớn trong magnonics là hiểu cách các magnon hành xử và các đặc tính của nó có thể được biến đổi ở cấp độ nano. Ví dụ, cho đến giờ thì không thể đánh giá được hiệu ứng pha tạp như một lỗ trống nơi một nguyên tử bị mất trong một vật liệu, trong hiệu suất hoạt động của các thiết bị magnonics.
Nhưng hiện tại, trong nghiên cứu xuất bản trên Nature, các nhà khoa học ở ĐH Uppsala và các nhà nghiên cứu quốc tế, đã tiến một bước lớn bằng việc giới thiệu một phương pháp mới để hiển thị và phân tích các magnon ở cấp độ nano. Điều này trở nên có thể nhờ sự kết hợp của các thí nghiệm tại Phòng thí nghiệm SuperSTEM tại Anh và hai phương pháp tính toán số và lý thuyết do ĐH Uppsala phát triển, TACAW và UppASD.
Trong các thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu sử dụng một kính hiển vi điện tử quét truyền qua (STEM) với độ phân giải năng lượng cực cao, khoảng 7 meV, mà trên thế giới chỉ có vài thiết bị như vậy. Họ đo đạc các mức mất mát năng lượng trong chùm tia electron khi nó xuyên qua mẫu, tiết lộ các dấu vết khó nắm bắt của magnon.
Một trong những phương pháp được sử dụng trong nghiên cứu là Tự động tương quan theo thời gian của các hàm sóng bổ trợ (TACAW), một lý thuyết cho kính hiển vi điện tử có độ phân giải năng lượng cao. TACAW được tạo ra và phát triển tại ĐH Uppsala với nỗ lực của José Ángel Castellanos-Reyes, Paul Zeiger và Ján Rusz, và cho phép các nhà nghiên cứu mô phỏng cách các magnon tương tác với các electron chuyển động siêu nhanh. Các tính toán của họ giúp nhận diện được các tín hiệu magnon khó nắm bắt trong thí nghiệm.
“Chúng tôi dự đoán để tìm một tín hiệu magnon tại một năng lượng khoảng 100 meV trong tinh thể nano nickel oxide, và thực nghiệm đã xác nhận điều đó”, theo Ján Rusz, giáo sư Khoa Vật lý và thiên văn, ĐH Uppsala.
Một phương pháp quan trọng khác là UppASD, một phần mềm mã nguồn mở cho động lực spin nguyên tử, được phát triển ở ĐH Uppsala, mang tính chất quyết định trong mô phỏng các magnon của nickel oxide, một hệ mô hình đã được sử dụng trong các thí nghiệm.
“UppASD là một phương pháp để mô phỏng các magnon có thể dò được bằng các kỹ thuật thực nghiệm khác. Do đó, chúng tôi có thể thấy được nó đóng một vai trò quan trọng trong thực nghiệm kiểu mới này”, phó giáo sư Anders Bergman và là người phát triển UppASD nói.
Nghiên cứu cho thấy giờ đã có thể thấy hành xử của các magnon tại cấp độ nano và có thể thay đổi cách chúng ta hiểu về các vật liệu từ.
“Đây là một cột mốc trong lĩnh vực magnonics và kính hiển vi điện tử! Nó mở ra những cơ hội lý thú cho phát triển các thiết bị điện tử chứa spin”, José Ángel Castellanos-Reyes nói.
Anh Hiền dịch từ Uppsala University
