Tại sao đôi khi đo đạc các đặc tính vật liệu khác nhau lại đem đến những kết quả khác nhau?

Thật khó để chụp một bức ảnh một con chim ruồi đang đập cánh bởi nó đập cánh tới 50 lần mỗi giây. Thời lượng phơi sáng còn ngắn hơn cả thang thời gian riêng biệt của nhịp đập cánh, nó khiến người ta chỉ có thể nhìn thấy một trạng thái mờ nhòe nhoẹt.

Một vấn đề tương tự mà vật lý chất rắn, nơi có mục tiêu xác định các tính chất từ của một vật liệu. Khoảnh khắc từ tại một vị trí nhất định có thể thay đổi rất nhanh. Do đó, các nhà nghiên cứu cần có những phương pháp đo đủ nhanh để có thể giải quyết được các dao động đó. Với ý tưởng này trong đầu, các nhà khoa học tại trường đại học Kỹ thuật TU Wien (Vienna), trong hợp tác với các nhóm nghiên cứu ở Würzburg (Germany), đã thành công trong việc giải quyết một câu đố của các nhà vật lý chất rắn.

Từ tính và siêu dẫn

“Nếu muốn hiểu về một vật liệu, anh phải hiểu được các đặc tính từ của nó”, giáo sư Alessandro Toschi từ Viện nghiên cứu vật lý trạng thái rắn tại TU Wien, nói. “Không chỉ vì chúng có thể nói cho anh biết cách vật liệu đó tương tác với từ trường như thế nào mà chúng còn có liên quan gần với các đặc tính khác của vật liệu, ví dụ hành xử điện từ của chúng”. Các đặc tính vật liệu từ đóng vai trò quan trọng trong việc tìm kiếm ra các siêu dẫn nhiệt độ cao.

Dẫu vậy, các nhà nghiên cứu nhiều lần phát hiện ra là các biện pháp đo đạc khác nhau về từ tính của các vật liệu nhất định có thể dẫn đến những kết quả khác nhau. “Thi thoảng các kết quả thu được không có ý nghĩa lắm nhưng thi thoảng các phương pháp đo khác nhau lại dẫn đến dữ liệu trái ngược nhau”, Clemens Watzenböck (Viện nghiên cứu Vật lý trạng thái rắn, TU Wien) nói. “Chúng tôi giờ đã sẵn sàng để giải quyết được bí aane này với những tính toán thuần túy lý thuyết”.

Sự linh động của các electron

Nhóm nghiên cứu từ Vienna và Würzburg đã có thể chứng tỏ sự linh động của các electron trong vật liệu này được xác định qua những phương pháp có thể được dùng để đo đạc các đặc tính từ. “Chuyển động spin của các electron trong vật liệu là nguyên nhân gây ra moment từ dao động. Các dao động từ xuất phát từ chuyển động tự nhiên của các electron. Do đó, moment từ có thể bị triệt tiêu một cách nhanh chóng bằng chuyển động của các electron”, Toschi nói. “Các electron chuyển động nhanh hơn có thể di chuyển bên trong vật liệu và làm nhòe đi sự xuất hiện của moment từ”.

Điều này có nghĩa là nếu có một quá trình trong vật liệu làm chậm chuyển động của các electron, ví dụ như tán xạ mạnh với các electron khác hoặc với các dao động của các nguyên tử của vật liệu, vì thế chúng không còn có thể chuyển động nhanh trong tinh thể – sau đó vẫn có thể đo đạc được moment từ tương ứng trong thời gian dài hơn.

Đôi khi moment từ thay đổi hướng rất nhanh, thi thoảng nó lại có xu hướng giữ hướng bền hơn. Điều này rất quan trọng đê chọn các thang thời gian ngắn trong đo đạc. Nguồn: trường đại học OCong nghệ Vienna.

“Chúng tôi đã phát triển một phương pháp cho phép chúng tôi tìm ra cách này thông qua việc sàng lọc các phân tích lý thuyết và mô phỏng số, trong đó thang thời gian cụ thể của các moment từ trong một vật liệu riêng biệt đều được che chắn”, Watzenböck giải thích. Moment từ có thể được đo đạc nếu như anh có một phương pháp đảm bảo tạo ra một kết quả trong một thang thời gian ngắn hơn. Nếu việc đo lường kéo dài hơn, anh chỉ có thể nhận được một kết quả với độ chính xác ở mức trung bình – tương tự việc anh bấm máy ảnh một con chim ruồi với khoảng thời gian lộ sáng dài.

Các siêu dẫn sắt

Nhóm nghiên cứu đã có thể ứng dụng cách tiếp cận này trên nhóm vật liệu quan trọng của các siêu dẫn chứa sắt. “Chúng tôi có thể chứng tỏ là thang đo đặc trưng của các dao động từ trong những siêu dẫn này khác biệt do trật tự từ phụ thuộc vào vật liệu – phạm vi của nó trải rộng từ 3 femtosecond đến khoảng 30 femtosecond”, Clemens Watzenböck cho biết.

Điều này giải thích tại sao các kết quả từ các thí nghiệm neutron không đàn hồi đều có thể dễ dàng sáng tỏ với một số vật liệu nhưng lại không như vậy với những vật liệu khác: thang thời gian của nhiều thực nghiệm neutron là khoảng 10 femtosecond, đủ ngắn với một số vật liệu nhưng lại quá dài với những vật liệu khác. Nói cách khác, nếu những phương pháp đo đạc khác được sử dụng như quang phổ học tia X, vốn hoạt động trong một thang thời gian ngắn hơn, moment từ của mọi vật liệu khác có thể còn thấy được một cách rõ ràng.

Phương pháp tính toán các thang thời gian đặc trưng của các vật liệu  mới được phát triển này có thể được áp dụng không chỉ cho các đặc tính từ mà còn cho các đặc tính quan trọng khác của vật liệu. “Chúng tôi giả định là phương pháp mới của mình sẽ hữu dụng trong tương lai với việc lên kế hoạch và lý giải các thực nghiệm về quang phổ”,  Alessandro Toschi nói, “vẫn còn nhiều câu hỏi mở trong lĩnh vực này – với phương pháp mới, chúng tôi muốn có được hiểu biết sâu sắc hơn về các vật liệu đã biết và thậm chí có thể thuận tiện hơn trong việc tìm kiếm những vật liệu mới có nhiều tính năng hơn như các siêu dẫn ở những mức nhiệt độ tới hạn rất cao”.

Thanh Nhàn dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-09-material-properties-results.html