Một miếng dây sắt nhỏ có từ tính – y hệt như một thỏi sắt lớn. Khi vật liệu có từ tính, thì kích cỡ thường không ảnh hưởng gì. Thật bất ngờ, các nhà nghiên cứu ở Áo và Ấn Độ vừa khám phá thấy một số chất liệu thể hiện hành trạng rất khác lạ, khi chúng được nghiên cứu dưới dạng những tinh thể nhỏ xíu. Kết quả này có thể đưa đến những chất liệu mới có tính chất điện tử và từ tính nhân tạo.
Các tính chất vật liệu như độ dẫn điện, từ tính hay điểm nóng chảy không phụ thuộc vào kích cỡ và hình dạng của vật thể. “Tuy nhiên, ở Ấn Độ, một thí nghiệm mới đây cho thấy những oxide mangan nhất định – cái gọi là manganite – biểu hiện những tính chất hoàn toàn khác biệt, khi kích cỡ của chúng giảm xuống còn bằng những hạt nhỏ xíu,” Karsten Held giải thích.
Khi vật liệu có từ tính thì kích cỡ của nó không là vấn đề gì
Một đội nhà khoa học thuộc trường Đại học Công nghệ Vienna (Áo) và Trung tâm quốc gia S.N. Bose Kolkata (Ấn Độ) đã nghiên cứu hiện tượng này – và hiệu ứng mới đó có thể giải thích trong các chương trình mô phỏng trên máy vi tính. Trong một chỗ cắt từ những tinh thể lớn thành những tinh thể nhỏ, sự phân bố của các electron thay đổi, vì thế năng lượng của chúng cũng thay đổi. Điều này hóa ra làm thay đổi tính chất điện và từ tính của tinh thể. “Hiện tượng vướng víu lượng tử giữ một vai trò rất quan trọng ở đây,” giáo sư Karsten Held nói. “Chúng ta không thể nghĩ tới các electron dưới dạng những hạt cổ điển, chuyển động độc lập với nhau, trên những quỹ đạo tách biệt nữa. Các electron chỉ có thể được mô tả tập thể.”
Bằng cách thay đổi kích cỡ của chúng, tính chất của các tinh thể manganite có thể khai thác được. Những tinh thể lớn là những chất cách điện, và chúng không có từ tính. Những mẩu tinh thể nhỏ xíu, mặt khác, hóa ra lại là những nam châm kim loại.
Sự biến đổi pha, tại đó những tính chất vật liệu quan trọng thay đổi, giữ một vai trò quan trọng trong các ứng dụng công nghệ. “Khi đọc dữ liệu từ một ổ đĩa cứng với một đầu đọc, người ta khai thác sự biến đổi giữa một trạng thái dẫn điện và một trạng thái không dẫn điện,” Karsten Held giải thích. Những hiệu ứng tương tự có thể nhìn thấy ở những tinh thể manganite: “Chúng ta biết rằng từ tính của manganite phụ thuộc vào nhiệt độ và từ trường,” phát biểu của Tanusri Saha-Dasgupta, một nhà khoa học vật liệu tại Trung tâm quốc gia S.N. Bose Kolkata. “Nhưng nay chúng ta biết rằng những sự biến đổi này còn thể điều khiển bằng cách thay đổi kích cỡ của tinh thể.” Bằng cách thay đổi kích cỡ dạng hạt của các tinh thể, các nhà khoa học có thể làm dh đến nhiệt độ và độ lớn từ trường tới hạn tại đó sự biến đổi pha xảy ra. Đối với những ứng dụng công nghệ, kết quả này mở ra những khả năng mới đầy hấp dẫn.
Các tinh thể manganite mà đội người Áo và Ấn Độ nghiên cứu chỉ rộng chừng ba đến mười lăm phần tỉ của một mét – nhưng chúng vẫn gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn nguyên tử. Việc mô phỏng hành trạng của chúng trên máy vi tính, do đó, là một thách thức lớn. “Các phương trình cơ lượng tử mà chúng tôi đang xử lí ở đây chỉ có thể giải với những đám máy vi tính cực mạnh,” nghiên cứu sinh Angelo Valli cho biết. “May thay, đám máy tính VSC tại trường Đại học Công nghệ Vienna đã cung cấp cho chúng tôi sức mạnh điện toán đáng kể.”
Tham khảo: http://prl.aps.org … /i19/e197202
Nguồn: Đại học Công nghệ Vienna
