Dòng electron đi qua làm từ hóa graphene

Giản đồ thể hiện một dòng electron (những mũi tên màu xanh lục) làm từ hóa graphene theo những hướng ngược nhau ở bên trái và bên phải của dòng điện. Sự từ hóa này được minh họa bằng những spin hướng theo chiều ngược nhau (mũi tên màu đỏ và màu lam). (Ảnh: Andre Geim).

Các nhà vật lí ở Anh vừa phát hiện ra một tính chất hữu ích khác của graphene – chất liệu trên có thể bị từ hóa dễ dàng bằng cách cho một dòng electron đi qua nó. Hiệu ứng trên tỏ ra hữu ích trong việc chế tạo các dụng cụ điện tử học spin hoặc thông tin lượng tử khai thác spin của electron.

Graphene là một tấm carbon hình tổ ong 2D chỉ dày một nguyên tử. Nó tác dụng như một á kim và thường được mệnh danh là “chất liệu thần kì” với tiềm năng chế tạo ra những dụng cụ điện tử cực nhỏ của tương lai.

Nghiên cứu mới này do Andre Geim và Konstantin Novoselov thực hiện tại trường Đại học Manchester ở Anh. Họ là những người đã nhận giải Nobel Vật lí năm 2010 cho thành tựu đã sáng tạo ra những tấm graphene đầu tiên. Nghiên cứu trên còn có sự tham gia của các nhà khoa học ở Mĩ, Nga, Nhật Bản và Hà Lan.

Các dòng spin

Các nhà nghiên cứu thực hiện khám phá của họ bởi việc cho một dòng điện đi qua một miếng graphene trong sự có mặt của một từ trường nhỏ. Họ nhận thấy những dòng spin up và spon down được tạo ra trong những hướng ngược nhau, vuông góc với hướng của dòng điện. Kết quả là làm từ hóa tấm graphene (xem hình). Kết quả trên quan trọng vì nó mang lại cho các nhà vật lí một phương pháp điều khiển spin bằng dòng điện.

Các nhà nghiên cứu đã khảo sát hơn 20 dụng cụ, với hai loại graphene – graphene mọc trên một bánh xốp silicon oxy hóa và một hệ khác trong đó có những tinh thể boron nitride hình lục giác đặt giữa graphene và bánh xốp silicon.

Đây chẳng phải là lần đầu tiên một dạng graphene bị từ hóa, nhưng nó là lần đầu tiên sự từ hóa toàn phần được tạo ra ở graphene bằng dòng spin. Nghiên cứu trên còn cho thấy spin có thể được tạo ra, cho dù graphene không hề có mômen từ nào.

“[Kết quả] then chốt là chúng có thể tạo ra những dòng spin lớn, cho phép chúng phân tách không gian đối với các spin up và down”, phát biểu của Markus Mueller, tại Trung tâm Quốc tế Vật lí Lí thuyết Abdus Salam ở Italy. Mueller tin rằng thí nghiệm trên mang lại một phương pháp tạo ra những nguồn dòng spin đơn giản và đáng tin cậy, chúng có thể có nhiều ứng dụng.

Không cân bằng tại điểm Dirac

Mueller giải thích rằng hiệu ứng trên có liên quan đến một tính chất khác thường của graphene – một điểm Dirac hay điểm “trung lập” tại đó dải dẫn và dải hóa trị gặp nhau. Các hạt phía trên điểm Dirac và các lỗ trống phía dưới điểm Dirac phản ứng với từ trường theo những cách khác nhau. Kết quả là một sự mất cân bằng. Mueller giải thích: “Bạn có nhiều spin ‘up’ đến mức bề mặt Fermi của chúng nằm trong vùng giống hạt; và có ít spin ‘down’ có mức Fermi của chúng giống lỗ trống. Đó là tất cả những gì bạn cần để tạo ra một dòng spin mạnh”.

Một nét đặc biệt khác nữa của graphene là ngay cả một nồng độ rất nhỏ của các hạt mang điện cũng sẽ duy trì sự từ hóa. Điều này không giống với những chất bình thườngtrong đó những spin ngược nhau có thể được cảm ứng, nhưng cần có một lượng lớn hạt mang điện để duy trì sự từ hóa. Nếu nồng độ hạt mang điện giảm đi, thì đa số các chất liệu bắt đầu tác dụng như một những cách điện và sự từ hóa không còn nữa. Nhưng như Geim giải thích, ở graphene “hiện tượng [từ hóa] nổi bật đó vẫn xảy ra... nó thậm chí còn tăng lên khi nồng độ hạt mang điện giảm đi, vì nó liên hệ tỉ lệ nghịch, và đây là một đặc điểm nổi bật của graphene”.

“Hiệu ứng lượng tử phi định xứ”

Một kết quả bất ngờ khác là các spin đó duy trì sự định hướng của chúng trong những khoảng cách tương đối dài ở graphene – một tính chất rất đáng khao khát đối với những ứng dụng điện tử học spin hoặc thông tin lượng tử học. Antonio Castro Neto thuộc trường Đại học Boston tin rằng “hiệu ứng lượng tử phi định xứ” này cũng liên quan tới điểm Dirac. Viết trên tạp chí Science, ông giải thích rằng “ở gần điểm Dirac, điện tích của electron hành xử phi kết hợp (và do đó mang tính cổ điển) nhưng spin của nó hành xử kết hợp (và do đó mang tính cơ lượng tử)”.

Francisco Guinea tại Viện Khoa học Vật liệu Madrid cho biết các kết quả rất quan trọng đối với các ứng dụng điện tử học spin, đặc biệt là những dòng spin có thể dùng để hồi phục thông tin lưu trữ trong những dụng cụ từ tính. Mueller tán thành: “Có vẻ đây là một cách rất hấp dẫn để truyền thông tin đến địa điểm khác nhau về không gian thông qua các tín hiệu điện áp, loại tín hiệu dễ xử lí và phát hiện”.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science 332 328

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp