Trong một phát hiện đột phá, các nhà nghiên cứu tại Đại học Nottingham, Anh, đã lần đầu tiên chứng minh sự tồn tại của loại từ tính thứ ba – được gọi là từ tính biến đổi. Công trình nghiên cứu này công bố trên tạp chí Nature ngày 11 tháng 12, không chỉ mang ý nghĩa về mặt khoa học mà còn mở ra triển vọng cách mạng hóa các thiết bị lưu trữ từ tính tốc độ cao, đồng thời góp phần giải quyết những thách thức trong nghiên cứu vật liệu siêu dẫn.
Từ trước đến nay, khoa học vật liệu chỉ xác định hai loại từ tính chính là sắt từ và phản sắt từ. Trong đó, sắt từ là loại từ tính phổ biến nhất, nơi các mômen từ của các nguyên tử trong vật liệu thẳng hàng và cùng hướng, giống như những mũi tên la bàn đồng nhất (các nam châm thông thường mà chúng ta sử dụng đều thuộc loại này). Ngược lại, phản sắt từ lại thể hiện sự đối lập giữa các mômen từ lân cận, trong đó mỗi mômen hướng ngược lại với mômen gần kề. Điều này tạo ra sự cân bằng tổng thể, giống như các ô đen và trắng trên bàn cờ. Mặc dù cả hai loại từ tính đều có vai trò quan trọng trong công nghệ hiện đại, nhưng chúng vẫn còn những hạn chế nhất định khi áp dụng vào các thiết bị lưu trữ hoặc xử lý thông tin.
Từ tính biến đổi, lần đầu tiên được đề xuất vào năm 2022, là một trạng thái trung gian đầy thú vị. Trong loại vật liệu này, các mômen từ cũng đối nghịch nhau như ở phản sắt từ, nhưng mỗi mômen có một sự xoắn nhẹ so với các nguyên tử gần kề. Điều này làm xuất hiện các đặc tính giống như sắt từ. Kết quả là, từ tính biến đổi không chỉ mang tính chất của cả sắt từ và phản sắt từ, mà còn kết hợp những ưu điểm nổi bật nhất của hai loại này. Theo Alfred Dudding, một nghiên cứu sinh tại Đại học Nottingham và đồng tác giả của nghiên cứu, từ tính biến đổi có khả năng lưu trữ và đọc dữ liệu nhanh chóng như sắt từ, trong khi vẫn giữ được độ an toàn và tính ổn định vốn có của phản sắt từ.
Những đặc điểm độc đáo này chủ yếu xuất phát từ hiện tượng phá vỡ đối xứng đảo ngược thời gian. Trong các hệ thống vật lý thông thường, nếu chúng ta quay ngược thời gian, hành vi của các hạt vẫn giữ nguyên và không có gì khác biệt. Tuy nhiên, đối với các electron trong vật liệu từ tính, sự đảo ngược thời gian không chỉ thay đổi hướng chuyển động của electron mà còn lật ngược cả spin lượng tử và mômen từ. Điều này dẫn đến sự bất đối xứng rõ rệt giữa trạng thái “bình thường” và “quay ngược thời gian”. Sự bất đối xứng này vốn không tồn tại trong các vật liệu sắt từ hay phản sắt từ thông thường, đã mở ra khả năng tạo ra các hiện tượng điện tử hoàn toàn mới, thúc đẩy sự phát triển của công nghệ spintronics.
Spintronics, hay điện tử spin, là một lĩnh vực công nghệ đang phát triển, sử dụng spin lượng tử của electron thay vì chỉ dựa vào điện tích như trong các thiết bị truyền thống. Với spintronics, các thiết bị có thể đạt được tốc độ xử lý nhanh hơn và tiêu thụ năng lượng ít hơn đáng kể. Từ tính biến đổi, nhờ vào khả năng điều chỉnh và ổn định các spin lượng tử, hứa hẹn sẽ là nền tảng lý tưởng để phát triển các thiết bị spintronics thế hệ mới.
Để chứng minh sự tồn tại của từ tính biến đổi, nhóm nghiên cứu đã tiến hành thí nghiệm trên mangan telluride – một vật liệu trước đây được cho là thuộc loại phản sắt từ. Sử dụng kính hiển vi quang điện tử, họ đã có thể chụp ảnh chi tiết cấu trúc từ tính của vật liệu này. Kỹ thuật này tận dụng khả năng phân cực của tia X để “soi sáng” các khía cạnh khác nhau của từ tính. Khi sử dụng ánh sáng phân cực tròn, họ quan sát được sự phá vỡ đối xứng đảo ngược thời gian – một dấu hiệu đặc trưng của từ tính biến đổi. Đồng thời, tia X phân cực theo chiều ngang hoặc dọc cho phép xác định hướng cụ thể của các mômen từ.
Bằng cách kết hợp dữ liệu từ hai phương pháp trên, nhóm nghiên cứu đã tạo ra bản đồ chi tiết đầu tiên về cấu trúc từ tính của mangan telluride. Đây là bước ngoặt quan trọng, cung cấp bằng chứng thuyết phục cho sự tồn tại của từ tính biến đổi, đồng thời xác định rõ những đặc tính độc đáo của loại từ tính này. Không dừng lại ở đó, họ tiếp tục phát triển một loạt các thiết bị điện từ dựa trên vật liệu từ tính biến đổi.
Một trong những thành tựu nổi bật của nghiên cứu là việc chế tạo các cấu trúc xoáy từ tính phức tạp, như hình lục giác và hình tam giác. Những cấu trúc này không chỉ đẹp mắt về mặt hình học mà còn có tiềm năng ứng dụng lớn trong việc lưu trữ và truyền tải thông tin. Các cấu trúc xoáy, nhờ khả năng ổn định và tính đối xứng cao, được đánh giá là những chất mang thông tin lý tưởng trong công nghệ spintronics. Điều này chứng minh rằng từ tính biến đổi không chỉ là một khái niệm lý thuyết mà còn có giá trị thực tiễn to lớn.
Bên cạnh các ứng dụng trong spintronics, từ tính biến đổi còn hứa hẹn mang lại bước đột phá trong lĩnh vực siêu dẫn. Siêu dẫn, trạng thái mà điện trở của vật liệu giảm xuống bằng không ở nhiệt độ cực thấp, là một hiện tượng vật lý đầy tiềm năng nhưng vẫn chứa đựng nhiều bí ẩn. Một trong những câu hỏi lớn mà các nhà khoa học chưa giải đáp được là sự bất đối xứng trong cấu trúc của các vật liệu siêu dẫn. Theo Alfred Dudding, từ tính biến đổi có thể là mảnh ghép còn thiếu trong câu đố này. Với khả năng phá vỡ đối xứng đảo ngược thời gian, loại từ tính này cung cấp một cơ sở lý thuyết mới để giải thích và tối ưu hóa các vật liệu siêu dẫn.
Phát hiện về từ tính biến đổi không chỉ mở ra một chương mới trong nghiên cứu khoa học cơ bản mà còn đặt nền móng cho những đổi mới công nghệ trong tương lai. Với khả năng kết hợp tốc độ, tính ổn định và độ an toàn, từ tính biến đổi có thể cách mạng hóa các thiết bị lưu trữ dữ liệu, nâng cao hiệu suất của các hệ thống điện tử và thúc đẩy sự phát triển của các công nghệ xanh, tiết kiệm năng lượng.
Dẫu vậy, nghiên cứu này mới chỉ là bước khởi đầu. Các nhà khoa học vẫn cần tiếp tục khám phá thêm về tính chất và tiềm năng của từ tính biến đổi, đồng thời tìm cách tối ưu hóa việc sản xuất và ứng dụng loại vật liệu này trên quy mô lớn. Oliver Amin, một trong những tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ: “Chúng tôi mới chỉ bắt đầu hiểu được một phần nhỏ tiềm năng của từ tính biến đổi. Trong tương lai, loại từ tính này có thể thay đổi hoàn toàn cách chúng ta thiết kế và sử dụng các thiết bị điện tử.”
Với những tiềm năng to lớn mà nó mang lại, từ tính biến đổi không chỉ là một phát hiện mang tính đột phá trong vật lý vật liệu mà còn hứa hẹn định hình tương lai của công nghệ. Trong một thế giới ngày càng phụ thuộc vào dữ liệu và điện tử, các ứng dụng của từ tính biến đổi chắc chắn sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng một kỷ nguyên công nghệ mới, nơi tốc độ, hiệu quả và tính bền vững được đặt lên hàng đầu.
