- Nhà vật lý người Séc Libor Šmejkal đã lấy cảm hứng từ một tác phẩm nghệ thuật để dự đoán về mặt lý thuyết một dạng từ tính mới (altermagnetism)
- Trước đây chỉ có hai dạng từ tính đã được biết đến là sắt từ (ferromagnetism) và phản sắt từ (antiferromagnetism), nhưng nay altermagnet, dạng từ tính thứ ba, đã được xác nhận bằng thực nghiệm
- Altermagnet có tổng từ trường bằng 0, nhưng vẫn có thể tạo ra sự tách spin electron (spin-splitting), nhờ đó có thể vượt qua các giới hạn của công nghệ spintronics
- Hiện tượng altermagnetic đã được chứng minh bằng thực nghiệm trong mangan telluride (MnTe), ruthenium dioxide và các vật liệu khác, đồng thời hơn 200 vật liệu ứng viên đã được đề xuất về mặt lý thuyết
- Nhóm nghiên cứu còn tiến thêm một bước khi dự đoán về mặt lý thuyết antialtermagnetic, tức dạng từ tính thứ tư, qua đó mở rộng thế giới của từ tính
Lịch sử và sự phát triển của từ tính
- Từ tính đã được biết đến từ thời Hy Lạp cổ đại, và ngày nay được sử dụng trong các công nghệ cốt lõi như máy phát điện, smartphone và máy quét y tế
- Khái niệm từ tính cổ điển gồm hai dạng là sắt từ (cấu trúc trong đó mọi spin cùng hướng tạo nên từ lực) và phản sắt từ (cấu trúc trong đó các hướng spin triệt tiêu lẫn nhau nên không có từ lực biểu kiến)
- Năm 2022, Šmejkal đã xây dựng lý thuyết về trạng thái “altermagnetic” dựa trên những hiện tượng mà mô hình này không thể giải thích
Ý tưởng của Šmejkal và tính đối xứng của Escher
- Ông diễn giải lại đối xứng từ tính theo cách mới khi lấy cảm hứng từ các hoa văn đối xứng lặp lại trong tác phẩm Horseman của M.C. Escher
- Tương tự phản sắt từ truyền thống, các spin đổi hướng luân phiên, nhưng các mômen từ theo hướng quay 90 độ xuất hiện, và kết quả là tạo ra hiện tượng tách spin
- Nhờ vậy, ngay cả trong những cấu trúc vốn được xem là không thể theo quan niệm truyền thống, vẫn có thể tách spin electron hai chiều
Xác minh thực nghiệm của altermagnet
- Năm 2024, nhóm của Juraj Krempaský tại viện nghiên cứu PSI của Thụy Sĩ đã quan sát hiện tượng altermagnet trong mangan telluride (MnTe)
- Kết quả theo dõi chuyển động của electron cho thấy mức độ phù hợp cao với lý thuyết của Šmejkal
- Sau đó, khả năng tồn tại altermagnet cũng được xác nhận trong ruthenium dioxide và các vật liệu khác
Spintronics và tiềm năng của altermagnet
- Spintronics là công nghệ thế hệ tiếp theo sử dụng spin electron để lưu trữ và xử lý thông tin
- Trước đây chỉ vật liệu sắt từ mới có thể tạo ra sự tách spin, nên việc thu nhỏ và tích hợp gặp giới hạn
- Altermagnet có từ lực bằng 0 nhưng vẫn tách được spin, không gây nhiễu, tiêu thụ điện năng thấp và có tiềm năng thu nhỏ, nên sở hữu các đặc tính lý tưởng
Phát triển vật liệu mới và khả năng thương mại hóa
- Có thể tạo ra trạng thái altermagnet bằng cách áp ứng suất nén (compressive strain) lên vật liệu phản sắt từ hiện có, hoặc làm nhiễu đối xứng bằng cấu trúc kẹp dị thể (sandwich structure)
- Ví dụ: rhenium dioxide dưới nén, hoặc vật liệu phản sắt từ xếp lớp được tạo theo cấu trúc đa lớp
- Tuy nhiên, các phương pháp nhân tạo có thể thiếu tính thực tiễn, vì vậy việc tìm kiếm vật liệu tự nhiên có tính altermagnet được xem là triển vọng hơn
- Nhóm của Šmejkal đã suy ra về mặt lý thuyết hơn 200 vật liệu ứng viên
Bước tiếp theo để thương mại hóa
- Nhóm nghiên cứu của Oliver Amin đã trình diễn khả năng điều khiển cấu trúc từ của MnTe thông qua gia nhiệt và làm nguội
- Điều này được đánh giá là giai đoạn đầu trong việc hiện thực hóa vật liệu thực dụng cho spintronics
- MnTe là vật liệu đã được nghiên cứu hơn 20 năm, nên thuận lợi cho tổng hợp độ tinh khiết cao và thí nghiệm
Dạng từ tính thứ tư: antialtermagnetism
- Vượt ra ngoài altermagnet, Šmejkal đã xây dựng lý thuyết về antialtermagnet với cấu trúc đối xứng spin dạng zíc zắc
- Các spin electron được sắp xếp đối xứng nên không có tổng từ lực, nhưng vẫn làm thay đổi quỹ đạo di chuyển của electron để tạo ra sự tách spin
- Bài báo hiện vẫn chưa qua bình duyệt, nhưng đã gợi mở khả năng về những hiện tượng từ tính mới
Kết luận
- Việc phát hiện altermagnet là bước ngoặt quan trọng có thể mở rộng khái niệm về từ tính và đẩy nhanh thương mại hóa spintronics
- Trong vòng 10 năm tới, khả năng lớn là nghiên cứu này sẽ dẫn tới các vật liệu mới có thể thương mại hóa, và hiện lĩnh vực này đang được nghiên cứu rất sôi nổi
- Khởi nguồn từ tính đối xứng của Escher, nghiên cứu này đang được chú ý như một ví dụ tiêu biểu về sự gặp gỡ giữa nghệ thuật, toán học và vật lý
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
liên kết archive.ph
Theo cách tôi hiểu, ưu điểm thực sự của công nghệ này là thiết bị lưu trữ từ thể rắn
Các thiết bị lưu trữ từ hiện có tạo ra từ trường, nhưng vật liệu altermagnet mới này phản ứng với từ trường bên ngoài mà không tự tạo ra từ trường
Vì vậy có thể bố trí các thiết bị với mật độ rất dày mà không cần lo ngại nhiễu lẫn nhau
Cấu trúc là dùng xung điện yếu để đọc bit 0 và 1, và dùng xung mạnh để lật bit
Vì đây là việc lật chính các nguyên tử nên không phá hủy cấu trúc hay bơm điện tích vào, do đó được cho là có tuổi thọ cao và số chu kỳ đọc/ghi gần như vô hạn
Người ta cũng cho rằng nó có thể tương thích với quy trình sản xuất silicon thông thường
Tuy vậy, điểm mấu chốt về mặt kỹ thuật là các cấu trúc đọc có thể đặt sát nhau đến mức nào
Cách diễn đạt rằng dùng xung điện yếu để phát hiện trạng thái bit và xung mạnh để lật nó thực sự tóm trúng bản chất rất hay
Tôi ấn tượng vì nó được cô đọng hoàn hảo trong một câu, kiểu thấu suốt theo phong cách Feynman
Nếu có loại thiết bị lưu trữ này, tôi nghĩ không chỉ bộ nhớ thể rắn mà cả các cảm biến công nghiệp dựa trên Hall effect nói chung cũng sẽ được cải thiện lớn về độ phân giải và khả năng miễn nhiễu
Thực ra ngay cả các vật liệu từ tính "thông thường" hiện có cũng có thể đảo hướng từ trường, điều này có thể kiểm chứng trong bài báo này
Phần "Confirming that altermagnets exist" trong bài viết giải thích khá tốt về ứng dụng thực tế
Theo truyền thống, lưu trữ thông tin mật độ cao dựa trên spin chỉ sử dụng các vật liệu mà spin tự nhiên sắp hàng thẳng lối với nhau (thường là ferromagnet)
Vấn đề là ferromagnet đi kèm từ trường rất lớn, trở thành trở ngại lớn cho ứng dụng thực tế
Altermagnet mới có spin được sắp xếp tốt nhưng ở cấp độ từng nguyên tử