Thí nghiệm trên nguồn sáng Thụy Sĩ SLS Chứng minh sự tồn tại của một loại từ tính mới, có ý nghĩa sâu rộng đối với công nghệ và nghiên cứu.

Hiện nay có một thành phần mới bổ sung cho dòng từ tính: nhờ các thí nghiệm được tiến hành tại Swiss Light Source SLS, các nhà nghiên cứu đã chứng minh được sự tồn tại của từ tính thay thế. Khám phá thực nghiệm về nhánh từ tính mới này đã được báo cáo trong thiên nhiên Nó biểu thị vật lý cơ bản mới, có ý nghĩa quan trọng đối với điện tử học spin.

Từ tính không chỉ là những thứ dính vào tủ lạnh của bạn. Sự hiểu biết này xuất hiện cùng với việc phát hiện ra chất phản nam châm cách đây gần một thế kỷ. Kể từ đó, họ vật liệu từ tính được chia thành hai giai đoạn cơ bản: nhánh sắt từ được biết đến từ hàng nghìn năm trước và nhánh phản từ. Bằng chứng thực nghiệm cho nhánh thứ ba của từ tính, được gọi là từ tính thay thế, đã được cung cấp tại Nguồn sáng Thụy Sĩ (SLS), thông qua sự hợp tác quốc tế do Viện Hàn lâm Khoa học Séc với Viện Paul Scherrer (PSI) dẫn đầu.

Các pha từ cơ bản được xác định bằng sự sắp xếp tự phát cụ thể của mômen từ – hay spin của electron – và của các nguyên tử mang mô men trong tinh thể. Nam châm sắt là loại nam châm dính vào tủ lạnh của bạn: ở đây các vòng quay hướng cùng một hướng, tạo ra từ tính cực nhỏ. Trong các vật liệu phản sắt từ, các spin hướng theo các hướng xen kẽ nhau, dẫn đến vật liệu không có mạng lưới từ hóa vĩ mô – và do đó không dính vào tủ lạnh. Mặc dù các loại từ tính khác đã được phân loại, chẳng hạn như từ tính và thuận từ, nhưng chúng mô tả những phản ứng cụ thể đối với từ trường tác dụng bên ngoài hơn là sự sắp xếp từ tính tự phát trong vật liệu.

Khám phá và tính chất của nam châm thay thế

Nam châm thay thế có sự kết hợp đặc biệt giữa sắp xếp spin và đối xứng tinh thể. Các spin luân phiên nhau, giống như trong các phản nam châm, dẫn đến không có từ hóa thực. Tuy nhiên, thay vì chỉ loại bỏ các đối xứng, các đối xứng tạo ra một cấu trúc dải điện tử có độ phân cực spin mạnh dao động theo hướng khi bạn đi qua các dải năng lượng của vật liệu – do đó có tên là nam châm thế. Điều này dẫn đến những đặc tính rất hữu ích tương tự như sắt từ, cũng như một số đặc tính hoàn toàn mới.

Trên tạp chí Nature, các nhà nghiên cứu báo cáo việc phát hiện ra một loại từ tính cơ bản mới, được gọi là “từ tính thay thế”. Ở đây, Juraj Krembaski, một nhà khoa học tại PSI và là tác giả đầu tiên của ấn phẩm, đứng tại SLS Nguồn sáng Thụy Sĩ, nơi trình bày bằng chứng thực nghiệm về từ tính thay thế. Nguồn: Viện Paul Scherrer / Mahir Dzambigovic

Ý nghĩa đối với Spintronics

Người anh em từ tính thứ ba này mang lại những lợi thế khác biệt cho lĩnh vực phát triển thế hệ công nghệ bộ nhớ từ tiếp theo, được gọi là điện tử học spin. Trong khi thiết bị điện tử chỉ sử dụng điện tích của electron thì thiết bị điện tử spin cũng khai thác trạng thái spin của electron để truyền thông tin.

Mặc dù điện tử học spin đã hứa hẹn cách mạng hóa công nghệ thông tin trong nhiều năm nhưng nó vẫn còn ở giai đoạn sơ khai. Thông thường, sắt từ đã được sử dụng cho các thiết bị như vậy vì chúng mang lại một số hiện tượng vật lý mạnh phụ thuộc vào spin rất đáng mong đợi. Tuy nhiên, từ hóa vĩ mô hữu ích trong nhiều ứng dụng khác đặt ra những hạn chế thực tế đối với khả năng mở rộng của các thiết bị này vì nó gây ra nhiễu giữa các bit—các phần tử mang thông tin trong lưu trữ dữ liệu.

Gần đây, phản nam châm đã được nghiên cứu cho điện tử học spin, vì chúng tận dụng sự thiếu từ hóa của mạng và do đó mang lại khả năng mở rộng vượt trội và hiệu quả sử dụng năng lượng. Tuy nhiên, các hiệu ứng mạnh phụ thuộc vào spin rất hữu ích trong sắt từ lại không có, điều này một lần nữa cản trở khả năng ứng dụng thực tế của chúng.

Ở đây chúng ta bước vào lĩnh vực nam châm thay thế có cả ưu điểm tốt nhất của cả hai: từ hóa ròng bằng 0, cộng với hiện tượng phụ thuộc vào spin mạnh thường thấy ở nam châm sắt – những ưu điểm được coi là không tương thích về nguyên tắc.

Thomas Jungwirth thuộc Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Séc, nhà nghiên cứu chính của nghiên cứu, cho biết: “Đây là sự kỳ diệu của nam châm thay thế”. “Điều mà mọi người nghĩ là không thể cho đến khi những dự đoán lý thuyết gần đây thực sự có thể xảy ra.”

Dự đoán lý thuyết và xác minh thực nghiệm

Tin đồn về sự tồn tại của một loại từ tính mới đã bắt đầu cách đây không lâu: vào năm 2019, Jungwirth và các nhà lý thuyết đồng nghiệp tại Viện Hàn lâm Khoa học Séc và Đại học Mainz đã xác định được một loại vật liệu từ tính có cấu trúc spin không phù hợp với các mô tả cổ điển . Tính sắt từ hoặc tính phản từ.

Năm 2022, các nhà lý thuyết công bố dự đoán của họ về sự tồn tại của từ tính thay thế. Họ đã phát hiện ra hơn hai trăm ứng cử viên cho từ tính thay thế trong các vật liệu từ chất cách điện đến chất cách điện. Chất bán dẫnĐối với kim loại và chất siêu dẫn. Nhiều vật liệu trong số này đã được biết đến rộng rãi và được khám phá rộng rãi trong quá khứ mà bản chất từ ​​tính thay thế của chúng không được ghi nhận. Với những cơ hội nghiên cứu và ứng dụng to lớn mà từ tính thay thế mang lại, những dự đoán này đã gây ra sự phấn khích lớn trong cộng đồng. Cuộc tìm kiếm đang diễn ra.

Việc thu được bằng chứng thực nghiệm trực tiếp về sự tồn tại của từ tính thay thế đòi hỏi phải làm sáng tỏ các tính chất đối xứng spin duy nhất được mong đợi ở các nam châm thay thế. Bằng chứng được đưa ra bằng cách sử dụng quang phổ phát xạ quang học quay và góc tại SIS (điểm cuối của COHEE) và các chùm tia ADRESS của SLS. Kỹ thuật này cho phép nhóm nghiên cứu hình dung ra một đặc điểm rõ ràng trong cấu trúc điện tử của một nam châm thay thế đáng ngờ: sự phân tách các dải điện tử tương ứng với các trạng thái quay khác nhau, được gọi là lực nâng thoái hóa spin Cramer.

Khám phá này được thực hiện trong tinh thể mangan Telluride, một chất hai thành phần đơn giản nổi tiếng. Theo truyền thống, vật liệu này được coi là chất sắt từ cổ điển vì mômen từ trên các nguyên tử mangan lân cận hướng theo hướng ngược nhau, tạo ra từ hóa biến mất.

Tuy nhiên, các phản nam châm sẽ không thể hiện độ suy biến spin Cramer cao theo thứ tự từ tính, trong khi các nam châm sắt hoặc nam châm thay thế thì phải như vậy. Khi các nhà khoa học nhận thấy sự phân rã spin Cramer tăng lên, kèm theo sự từ hóa toàn cầu biến mất, họ biết rằng họ đang tìm kiếm một nam châm thay thế.

“Nhờ độ chính xác và độ nhạy cao của các phép đo, chúng tôi có thể phát hiện sự phân tách xen kẽ đặc trưng của các mức năng lượng tương ứng với các trạng thái spin ngược nhau, từ đó chứng minh rằng mangan Telluride không phải là chất phản sắt từ cổ điển hay sắt từ cổ điển mà thuộc về nhánh mới. của từ tính thay thế,” Juraj Krembaski, một nhà khoa học về chùm tia trong nhóm Beamline Optics Group tại PSI và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu: “Từ Vật liệu Từ tính”, cho biết.

Các chùm tia cho phép khám phá này hiện đã bị tháo dỡ và đang chờ nâng cấp SLS 2.0. Sau hai mươi năm khoa học thành công, trạm COPHEE cuối cùng sẽ được tích hợp hoàn toàn vào đường truyền tia “QUEST” mới. Krempaski cho biết thêm: “Chúng tôi đã thực hiện những thí nghiệm này với những photon ánh sáng cuối cùng tại COPHEE. Chúng đã tạo ra một bước đột phá khoa học quan trọng và nó rất ấn tượng đối với chúng tôi”.

Kết luận và hướng đi tiếp theo

Các nhà nghiên cứu tin rằng khám phá mới cơ bản này về từ tính sẽ làm phong phú thêm hiểu biết của chúng ta về vật lý vật chất ngưng tụ, đồng thời tác động đến nhiều lĩnh vực nghiên cứu và công nghệ khác nhau. Ngoài những lợi thế trong lĩnh vực điện tử học spin đang phát triển, chúng còn cung cấp một nền tảng đầy hứa hẹn để khám phá tính siêu dẫn độc đáo, thông qua những hiểu biết mới về các trạng thái siêu dẫn có thể phát sinh trong các vật liệu từ tính khác nhau.

Jungwirth nói: “Từ tính thay thế thực ra không phải là thứ gì quá phức tạp. “Đó là thứ khá cơ bản đã xuất hiện trước mắt chúng ta trong nhiều thập kỷ mà chúng ta không hề nhận ra. Và nó không phải là thứ chỉ tồn tại trong một vài vật liệu ít người biết đến. Nó được tìm thấy trong nhiều tinh thể mà mọi người cất giữ trong ngăn kéo của họ. Theo nghĩa này, giờ đây chúng tôi đã đưa ý tưởng này ra ánh sáng, sẽ có thêm nhiều người trên khắp thế giới có thể thực hiện nó, mở ra tiềm năng tác động rộng rãi.

Tham khảo: “Sự bay lên từ của phân rã spin Cramer” ngày 14 tháng 2 năm 2024, thiên nhiên.
doi: 10.1038/s41586-023-06907-7