Các nhà vật lí ở Đức là những người đầu tiên phát hiện ra các skyrmion từ ổn định trên một bề mặt thay vì trong khối chất liệu. Những xoắn ốc cycloid, chỉ gồm 15 nguyên tử với spin của chúng, tạo nên một mạng lưới đều đặn. Sơ đồ thể hiện các mô phỏng của phép đo từ với sự hỗ trợ của kính hiển vi quét chui hầm phân cực spin trong nền đen trắng. Các mũi tên màu cam, màu đỏ và màu xanh thể hiện sự định hướng của các spin. Phần hình lập phương nhỏ lồng vào mô tả một skyrmion đơn lẻ. Ảnh: Đại học Hamburg
Các nhà vật lí tại Forschungszentrum Jülich và các trường đại học Kiel và Hamburg ở Đức là những người đầu tiên khám phá ra một mạng đều đặn của những skyrmion từ tính bền – những cấu trúc xoắn ốc tỏa tròn cấu tạo từ những spin cấp độ nguyên tử - trên một bề mặt thay vì trong một khối chất liệu. Những cấu trúc nhỏ xíu như thế có thể một ngày nào đó sẽ hình thành nên cơ sở của một thế hệ mới những đơn vị lưu trữ dữ liệu nhỏ hơn và hiệu quả hơn trong lĩnh vực công nghệ thông tin.
Các nhà khoa học đã khám phá ra những xoắn ốc từ, mỗi xoắn ốc chỉ gồm 15 nguyên tử, trong một lớp-một-nguyên-tử sắt trên iridium. Họ công bố kết quả của mình trên số ra mới đây của tạp chí khoa học Nature Physics.
Sự tồn tại của các skyrmion từ đã được dự đoán hơn 20 năm về trước, nhưng lần đầu tiên được chứng minh thực nghiệm vào năm 2009; một nhóm nhà nghiên cứu ở trường Đại học Kĩ thuật München (TUM) đã nhận ra mạng lưới của những xoáy từ trong silicon mangan trong một từ trường yếu. Không giống những cấu trúc này, cấu trúc do các nhà vật lí tại Jülich, Kiel và Hamburg mới phát hiện tồn tại mà không cần từ trường ngoài và nằm trên bề mặt của chất liệu khảo sát, thay vì ở bên trong chúng. Đường kính của chúng chỉ bằng vài nguyên tử, khiến chúng ít nhất là nhỏ hơn một bậc độ lớn so với những skyrmion đã được nhận dạng tính cho đến nay.
“Những thực thể ổn định từ tính mà chúng tôi mới phát hiện hành xử giống như hạt và tự sắp xếp kiểu như các nguyên tử trong một mạng tinh thể hai chiều”, giải thích của giáo sư Stefan Blügel, giám đốc Viện Peter Grünberg và Viện Mô phỏng Cao cấp ở Jülich. “Phát hiện này đối với chúng tôi là một giấc mơ đã trở thành hiện thực”. Hồi năm 2007, cũng đội khoa học này đã phát hiện ra một loại trật tự từ mới trong một màng mangan mỏng trên tungsten (volfram) và đã chứng minh tầm quan trọng thiết yếu của cái gọi là tương tác Dzyaloshinskii-Moriya đối với sự hình thành cấu trúc dạng sóng của nó. Tương tác trên còn cần thiết đối với sự hình thành của các skyrmion hình xoắn ốc.
Các nhà khoa học đã không phát hiện ra mạng skyrmion từ nỗ lực đầu tiên. Ban đầu, họ muốn chuẩn bị một lớp-một-nguyên-tử chromium trên iridium, để nghiên cứu sự tồn tại theo giả thiết của một trạng thái từ tính khác. Khi những thí nghiệm đó không thành công, họ đã chuyển sang thử với những kim loại khác. Sử dụng kính hiển vi quét chui hầm phân cực spin trong nghiên cứu sắt trên iridium tại trường Đại học Hamburg, các nhà nghiên cứu để ý thấy kiểu phân bố từ đều đặn không phù hợp với cấu trúc tinh thể của bề mặt kim loại. “Chúng tôi chắc chắn rằng chúng tôi đã phát hiện ra các skyrmion”, Blügel nói. Những phép tính phức tạp do siêu máy tính Jülich thực hiện sau đó đã chứng minh ông nói đúng.
Kết quả là một mô hình mô tả sự hình thành của sự thẳng hàng spin qua sự tham gia phức tạp của ba tương tác: tương tác Dzyaloshinskii-Moriya thuận một bên, tương tác thông thường giữa các spin cộng với một tương tác phi tuyến liên quan đến bốn spin. Trong tương lai, mô hình trên sẽ giúp tác động có chọn lọc lên những cấu trúc từ trên các bề mặt. “Hiện nay chúng tôi đang lên kế hoạch nghiên cứu tác động của dòng điện lên các skyrmion; làm thế nào các spin electron của một dòng điện “cưỡi” lên các xoắn ốc, chúng ảnh hưởng đến điện trở như thế nào và các xoắn ốc bị ảnh hưởng ra sao?”, Blügel nói.
Tham khảo: "Spontaneous atomic-scale magnetic skyrmion lattice in two dimensions," Nature Physics, 31.07.2011; DOI: 10.1038/NPHYS2045
Nguồn: PhysOrg.com
