“Nhiều nhà khoa học, giống như tôi, có sự say mê đối với những phân tử đơn giản nhất”, Stefan Klotz phát biểu với PhysOrg.com. “Những phân tử đơn giản này, như nước, nitơ và ôxi, có khá nhiều trong vật chất xung quanh chúng ta, và phổ biến trong vũ trụ. Có nhiều thứ chúng ta có thể học về chúng và những tính chất của chúng, và cách thức vũ trụ hoạt động, thông qua nghiên cứu”.
 |
| Ôxi rắn với sắp xếp spin (màu xanh) khác nhau như báo cáo trên tờ PRL. Ảnh: Stefan Klotz |
Klotz là một nhà khoa học tại trường đại học Pierre và Marie Curie ở Paris, Pháp. Ông bị cuốn hút bởi cách thức những phân tử đơn giản hành xử dưới những điều kiện cực đoan, đặc biệt là dưới áp suất cao. “Chúng ta nghĩ nước là một chất lỏng, tất nhiên, nhưng nhiều phân tử và nguyên tố đơn giản, như ôxi, hêli và nitơ, là những thứ chúng ta nghĩ là chất khí. Dưới áp suất cao, chúng trở thành chất rắn, và khi đó chúng rất hấp dẫn”.
Làm việc cùng với Cornelius và Philippe, cũng ở Paris, và với Strässle đến từ trường ETH Zurich và Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ, và Hansen đến từ Viện Laue Langevin ở Grenoble, Pháp, Klotz đã giúp khảo sát những tính chất từ của ôxi trong một trong những dạng rắn của nó, chứng tỏ sự trật tự từ tính của phân tử cơ bản này. Công trình của đội nghiên cứu có thể tìm đọc trên tờ Physical Review Letters: “Magnetic Ordering in Solid Oxygen up to Room Temperature.” (Trật tự từ trong ôxi rắn ở nhiệt độ phòng)
Để khảo sát những tính chất từ của ôxi rắn, đội nghiên cứu đã sử dụng một dụng cụ áp suất cao để “nén” ôxi từ dạng khí thành chất rắn. Klotz là một chuyên gia về kĩ thuật áp suất cao, nghiên cứu tính chất của những phân tử dưới áp suất lên tới 100.000 atmosphere. “Chúng tôi đã phát triển một dụng cụ phòng lab có khả năng tạo ra áp suất lớn, trong trường hợp này làm nén bất kì chất liệu nào lên từ 60.000 đến 80.000 atmosphere”, Klotz nói.
Đối với một hệ như ôxi, mà đa số mọi người biết là một chất khí, ý tưởng về sự trật tự từ thật hấp dẫn. “Khi chúng tôi mang các nguyên tử càng lúc càng gần nhau dưới áp suất cao, và chúng chịu tương tác với nhau, chúng bắt đầu sắp thẳng hàng. Chúng tôi làm lạnh toàn bộ hệ nên các nguyên tử càng lúc dao động càng yếu”, Klotz nói. “Thông thường, trong một chất khí hay chất lỏng, các spin luôn luôn đổi hướng. Không có trật tự từ nào, và bạn không bao giờ tạo ra được một nam châm vĩ mô”.
Tuy nhiên, sau khi chịu áp suất cao và biến đổi thành chất rắn, ôxi bắt đầu tác dụng khác đi. “Toàn bộ spin hướng theo một chiều, tạo ra hiệu ứng của việc có một nam châm nhỏ xíu. Đây là một hiện tượng mới lạ đối với một hệ mà đa số mọi người hiểu là một chất khí”. Klotz và các đồng nghiệp của ông thu được một chất kiểu bột hơi nhỏ sau khi đưa ôxi trải qua quá trình đó, nhưng nó đủ cho nghiên cứu. Ở những áp suất cao như vậy, kích thước mẫu rất nhỏ, nhưng nó đủ để tìm ra cái chúng tôi muốn biết bằng kĩ thuật tán xạ neutron”.
Để khảo sát từ tính của mẫu ôxi rắn, đội nghiên cứu các neutron phát ra từ một lò phản ứng nghiên cứu. “Chúng tôi chọn một chùm neutron, và đưa nó vào mẫu ôxi rắn bên trong bình áp suất”, Klotz giải thích. “Các neutron bị lệch hướng, tán xạ theo một kiểu đặc biệt. Điều này cho chúng tôi biết các nguyên tử ở nơi nào, và mômen từ của chúng hướng theo chiều nào”.
Klotz tin rằng thí nghiệm này sẽ có khả năng cung cấp thông tin về những tính chất cơ bản của các nam châm và của ôxi. “Phát hiện của chúng tôi không tức thì đưa đến những chiếc điện thoại tốt hơn, nhưng nó là cơ bản trong tự nhiên”, ông nói. “Chúng tôi đã khám phá ra một trong những nam châm đơn giản nhất – một nguyên tố đơn lẻ - không có một cấu trúc điện tử phức tạp. Khám phá này sẽ góp phần cho việc nghiên cứu các nam châm nói chung, và cuối cùng có thể dẫn tới việc chế tạo những nam châm tốt hơn cho những ứng dụng kĩ thuật”.
Tham khảo: S. Klotz, Th. Strässle, A.L. Cornelius, J. Phillipe, and Th. Hansen, “Magnetic Ordering in Solid Oxygen up to Room Temperature,” Physical Review Letters (2010). http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.104.115501
Theo PhysOrg.com
