Biến lưỡng cực từ thành đơn cực từ và ngược lại

Đơn cực từ, những thực thể có cực bắc từ hoặc cực nam từ tách biệt, không được cho là tồn tại. Nếu bạn cưa một nam châm ra làm đôi, cái bạn thành công là có được hai nam châm, mỗi nam châm có một cực nam và một cực bắc. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, sự tồn tại của các đơn cực từ, ít nhất là ở dạng các “giả hạt” gồm những kích thích tập thể trong số nhiều nguyên tử, đã được tiên đoán và chứng minh trong phòng thí nghiệm. Nay Stephen Powell, một nhà khoa học tại Liên Viện Lượng tử (JQI) và Đại học Maryland, vừa đào sâu thêm nền tảng lí thuyết để các đơn cực từ có thể hoạt động.

“Những dòng trôi đều đặn của các đơn cực từ rõ ràng là không thể,” Powell nói, “nhưng những dòng phù du thì đã được chứng minh, và người ta có thể tưởng tượng tạo ra một dòng xoay chiều, tương đương từ tính của dòng điện xoay chiều.” Cái gọi là “dòng từ” (magnetricity) này có thể được khai thác trong việc thiết kế những loại lưu trữ dữ liệu mật độ cao kiểu mới.

Các định luật điện từ học dự đoán một sự đối xứng lớn giữa lực điện và lực từ. Tuy nhiên, sự tương đương này không mở rộng cho các “tích” từ cô lập. Các điện tích cô lập, ở dạng electron, tất nhiên là khá dễ gặp. Những điện tích như thế hút hoặc đẩy nhau với một lực tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các điện tích. Một điện tích dương và một điện tích âm có thể hợp thành một lưỡng cực điện trung hòa. Tình huống đó trong từ học thì có vẻ khác: các lưỡng cực thì có, nhưng các đơn cực thì không.

Ô đơn vị cho các chất liệu “băng spin” gồm hai khối tứ diện. Các mũi tên thể hiện sự định hướng của các nguyên tử từ tính trong chất liệu. (Ảnh: Stephen Powell)

Nhưng những ý tưởng mới và những thí nghiệm mới đã làm thay đổi lối suy nghĩ thường nhật đó. Trước tiên, các thí nghiệm với electron lạnh trôi trong một tấm hai chiểu có thể, dưới tác dụng của những từ trường mạnh, bị đưa vào chuyển động với quỹ đạo tròn. Những quỹ đạo này hóa ra lại tương tác với nhau tạo ra những giả hạt có điện tích bằng một phần của điện tích electron bình thường. Đây là cái gọi là hiệu ứng Hall lượng tử phân số. Vậy liệu có thể có một cái tương đương cho các lưỡng cực từ hay không? Có thể có những tình huống cho phép sự tồn tại của những từ tích cô lập (hay phân số) hay không? Các thí nghiệm mới đây ở Đức và Pháp đã hướng đến khả năng này trong cái gọi là “băng spin”, một chất rắn cấu tạo gồm các nguyên tố dysprosium (Dy), titanium (Ti), và oxygen (O). Viên gạch cấu trúc cơ bản của những chất liệu này là một cặp nhóm hình tứ diện, với hai nguyên tử Dy (mỗi nguyên tử tác dụng như một nam châm lưỡng cực nhỏ xíu) hướng ra mỗi tứ diện và hai nguyên tử hướng vào trong. Đây là cái tương đương với sự định hướng của các nguyên tử hydrogen trong nước đá, vì thế có tên gọi “băng spin”.

Thông thường, tất cả các cực từ sẽ bị giam cầm bên trong những cặp đôi hai cực – lưỡng cực từ bình thường. Tuy nhiên, ở một nhiệt độ đủ thấp, khoảng 5 K, “sự khử” giữa các nguyên tử từ tính – chúng muốn sắp thẳng hàng với nhau nhưng không thể do dạng hình học vốn có của chất liệu – dẫn tới một trạng thái mất trật tự với những thăng giáng mạnh, được đồng bộ hóa. Những cực từ chưa ghép cặp có thể hình thành giữa mớ lộn xộn này. Nghĩa là, những hạt (những kích thích giả hạt) trong băng spin với một “tích” từ tổng hợp có thể tồn tại và di chuyển.

Một chất khí gồm những điện tích được gọi là “plasma”, nên một số nhà khoa học gọi đám mây tương đương mong manh ấy của các từ tích là “plasma đơn cực”. Bài báo của Stephen Powell, công bố trên tạp chí Physical Review Letters, khảo sát cái xảy ra khi các thăng giáng bị đóng băng, chẳng hạn, bởi nhiệt độ còn lạnh hơn nữa hoặc một từ trường cường độ cao. Ông trình bày làm thế nào các đơn cực bị giam cầm trong lưỡng cực từ trung hòa lần nữa. Ông là người đầu tiên thực thi sự chuyển tiếp pha từ pha đơn cực (còn gọi là pha Coulomb vì các đơn cực chịu lực nghịch đảo bình phương giống như các điện tích) sang pha giam cầm cực. Việc đạt tới những nhiệt độ thấp hơn đó, và việc quan sát các đơn cực từ bị đóng băng như thế nào thành các lưỡng cực, sẽ thật khó thu được trong phòng thí nghiệm vì người ta khó ép các nguyên tử từ tính vào tương tác đủ mạnh. Nhưng Powell nghĩ rằng có thể làm được. Hơn nữa, nếu chuyển tiếp này giống như những chuyển tiếp pha khác, thì nó sẽ là đối tượng cho một nhóm định luật gọi là “vạn vật”, cái tiêu biểu cho nhiều hiện tượng như thế - nước chuyển thành băng là một ví dụ được ưa chuộng. Powell là người đầu tiên khảo sát tính vạn vật gắn liền với quá trình đóng băng như thế nào, khi các đơn cực trong băng spin lại sa vào các lưỡng cực ở những nhiệt độ siêu thấp.

“Những loại đơn cực từ này không chỉ là những cái trừu tượng toán học,” Powell nói. “Chúng thật sự xuất hiện. Chúng có thể di chuyển, ít nhất là di chuyển chút ít. Các nhà khoa học cần tìm hiểu các đơn cực hành xử như thế nào, ngay cả ở những nhiệt độ thấp nhất trong đó chúng bị khóa trở lại vào các lưỡng cực.” Khuôn khổ của Powell cho các đơn cực bao gồm những tiên đoán có thể kiểm tra về cách quan sát sự chuyển tiếp từ đơn cực thành các cực bị giam cầm.

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: PhysOrg.com

Bài trước | Bài kế tiếp