Cobalt giấu một mạng lưới trạng thái lượng tử trụ được ở nhiệt độ phòng

Cobalt là một trong những nam châm được nghiên cứu kỹ lưỡng nhất trên Trái Đất, loại nguyên tố lấp đầy sách giáo khoa và có mặt từ pin cho tới động cơ phản lực. Các nhà vật lý tại Helmholtz-Zentrum Berlin nay phát hiện nó đã giấu một mạng lưới dày đặc các trạng thái điện tử kỳ lạ, và mạng lưới ấy đứng vững ở nhiệt độ phòng.

Những trạng thái này gọi là các đường nút từ. Đó là những nơi hai dòng electron, được phân loại theo hướng spin, cắt nhau mà không va chạm và vạch nên những lối đi liên tục xuyên qua tinh thể thay vì gặp nhau ở các điểm rời rạc. Những đặc tính như vậy thuộc về tô-pô học, nhánh vật lý mô tả những nét được khắc sâu vào cấu trúc của vật liệu đến mức các nhiễu loạn thông thường không thể xóa đi. Trong cobalt, nhóm tìm thấy các giao điểm này dệt khắp kim loại, chứ không bị giam trong một góc hiếm hoi.

Điều đáng kinh ngạc không chỉ là các trạng thái tồn tại, mà là chúng sống sót trong cái ấm của một căn phòng bình thường. Phần lớn hành vi lượng tử mà các nhà vật lý theo đuổi chỉ hiện ra khi gần độ không tuyệt đối, nơi nhiệt bị rút đi và những hiệu ứng mong manh cuối cùng mới thấy được. Các đường nút của cobalt vẫn còn ở mức cao hơn hàng trăm độ, và đó là khác biệt giữa một thứ kỳ thú trong phòng thí nghiệm với một thứ mà thiết bị thật có thể dùng.

Để nhìn thấy chúng, các nhà nghiên cứu dùng phổ quang điện tử phân giải theo góc và theo spin, một kỹ thuật dùng ánh sáng đánh bật electron ra khỏi vật liệu rồi ghi lại cả năng lượng lẫn hướng spin của chúng. Họ thực hiện tại BESSY II, một máy gia tốc synchrotron ở Berlin tạo ra thứ ánh sáng mạnh và được tinh chỉnh kỹ mà phép đo đòi hỏi. Độ phân giải tăng thêm cho phép họ vẽ bản đồ cấu trúc điện tử của cobalt chi tiết hơn nhiều so với các công trình trước, và nhờ vậy một mạng lưới bị bỏ sót suốt nhiều thập kỷ rốt cuộc lộ diện.

“Đây đúng là kiểu chức năng bật-tắt mà người ta tìm kiếm cho các ứng dụng thực tế”, ông Jaime Sánchez-Barriga, người dẫn dắt nhóm quốc tế, nói. Vì các trạng thái gắn với từ tính của cobalt, đảo hướng một từ trường sẽ điều khiển được chúng, một đòn bẩy mà kỹ sư mong muốn cho spintronics, một ngành điện tử mã hóa thông tin trong spin của electron thay vì trong điện tích và hứa hẹn những con chip nhanh hơn, mát hơn.

Công trình là một phép đo các tính chất của vật liệu, không phải một thiết bị đang chạy, và khoảng cách ấy còn rộng. Vẽ bản đồ trạng thái tô-pô trong một tinh thể dưới chùm synchrotron còn xa mới tới việc chế tạo một con chip khai thác chúng ở quy mô lớn, và các nhóm khác sẽ cần lặp lại kết quả và kiểm tra xem hiệu ứng có trụ được bên ngoài những mẫu được chuẩn bị kỹ hay không. Các tác giả mô tả cobalt như một nền tảng có thể điều chỉnh để khám phá, chứ không phải một công nghệ hoàn chỉnh.

Dù vậy, một phần sức hấp dẫn nằm chính ở chỗ cobalt quá đỗi bình thường. Một vật liệu vốn đã được khai thác, tinh luyện và sản xuất ở quy mô công nghiệp sẽ dễ áp dụng hơn nhiều so với những hợp chất hiếm hoặc mong manh đang thống trị nghiên cứu lượng tử.

Kết quả được công bố trên tạp chí Communications Materials. Nhóm dự định lập bản đồ cách các đường nút phản ứng khi xoay từ trường, bước tiếp theo để tìm hiểu liệu kiến trúc ẩn của cobalt có thể được đưa vào sử dụng hay không.

Thẻ: physics