Lần đầu tiên nhìn thấy sự ma sát spin ở một nguyên tử độc thân

Một đội nghiên cứu quốc tế cho biết lần đầu tiên họ đã đo được thành phần ma sát phụ thuộc spin của một nguyên tử độc thân khi nó trượt trên một bề mặt từ tính. Đội đã sử dụng kết hợp kính hiển vi quét chui hầm phân cực spin và kĩ thuật xử lí nguyên tử độc thân để đẩy từng nguyên tử từ tính trên một khuôn từ tính. So sánh các kết quả thực nghiệm và mô phỏng trên máy tính, các nhà nghiên cứu đã có thể kết luận thuyết phục rằng sự ma sát phụ thuộc spin có đóng góp căn bản cho lực ma sát tổng hợp mà một nguyên tử phải chịu. Các kết quả của họ mang lại một bước thiết yếu hướng đến phát triển một lí thuyết cơ bản của sự ma sát.

Mặc dù ma sát là một trong những lực gặp nhiều nhất trong vũ trụ, và là một trong những hiện tượng vật lí được biết sớm nhất, nhưng cơ sở phức tạp của sự ma sát và nguồn gốc của nó vẫn còn tránh né các nhà khoa học. Lĩnh vực nghiên cứu ma sát, hay “ma sát học”, khảo sát các bề mặt tiếp xúc từ cấp vĩ mô đến cấp vi mô. Một vấn đề căn bản là chỉ ra và liên hệ một lực ma sát quan sát được giữa hai chất liệu tiếp xúc nhau với những tính chất vật lí, hóa học và cơ học của chất liệu gây ra ma sát. Nhưng yêu cầu này nói thì dễ hơn làm

(a) Spin của manganese sắt từ, với trạng thái spin xoắn. (b) Hình ảnh SP-STM cho thấy các spon đối song nhau. (c) Sự đối xứng của mạng nguyên tử khi nguyên tử cobalt trượt trên bề mặt. (d) Trạng thái spin từ tính, khi đầu nhọn bị phân cực spin và thành phần spin được nhìn thấy.

Quay tự do

Trong những năm qua, các nhà khoa học đã khảo sát hai yếu tố có đóng góp căn bản cho sự ma sát ở cấp vĩ mô – đó là mức độ tự do điện tử và các dao động mạng. “Vì thế, nếu hệ electron trong nguyên tử giữ một vai trò thiết yếu như vậy trong sự ma sát, thì rõ ràng chúng ta cũng phải xét spin nữa, vì mỗi electron không chỉ có điện tích mà còn có spin,” giải thích của Roland Wiesendanger thuộc trường Đại học Hamburg, Đức, một trong các tác giả của công trình mới công bố. Cùng với tác giả Boris Wolter và các đồng sự, ông đã nghiên cứu các hiện tượng phụ thuộc spin ở cấp nguyên tử trong hơn 25 năm qua và rất ít có hứng thú với sự ma sát spin. “Đây có khả năng là do rất khó tìm ra một hệ cho phép chúng ta nhận ra sự ma sát spin một cách dễ dàng,” Wiesendanger nói. Nếu ta xét một chất sắt từ, ví dụ như sắt chẳng hạn, thì toàn bộ các moment từ hay spin đều hoàn toàn song song nhau, “cho nên hầu như không thể phân biệt giữa sự đóng góp phụ thuộc spin và sự đóng góp ma sát bình thường. Bạn phải thiết kế ra một hệ mô hình trong đó các tính chất điện tử khác với các tính chất từ,” ông nói.

Đó chính là cái mà đội nghiên cứu đã làm – xét việc sử dụng một chất liệu phản sắt từ, trong đó các spin liền kề luôn luôn hướng theo chiều ngược nhau. Thật vậy, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một chất liệu manganese-trên-chất-nền-tungsten có tính phản sắt từ ở cấp độ nhỏ nhưng thể hiện một trạng thái xoắn spin khoảng 170^o giữa những hàng liền kề trên cấp độ lớn hơn. Sau đó họ đã nghiên cứu sự ma sát của hệ này bằng cách sử dụng một kính hiển vi quét chui hầm phân cực spin (SP-STM) với một nguyên tử cobalt (Co) tại đầu nhọn trượt trên lớp manganese, với nguyên tử Co chuyển động từ nút mạng này sang nút mạng kế tiếp. Các spin ở lớp manganese phản sắt từ xen kẽ nhau, và sự canh thẳng hàng spin của nguyên tử Co với nguyên tử manganese gần nhất mang lại một hệ vân xen kẽ. Các vân sáng và tối cho biết các hàng nguyên tử với thành phần từ hóa song song và đối song so với sự từ hóa của đầu nhọn.

Đầu nhọn phân cực

Đầu nhọn SP-STM được sử dụng bởi vì nếu dùng một đầu nhọn kim loại bình thường để kéo lê nguyên tử Co trên bề mặt manganese, thì hình ảnh chỉ thể hiện sự đối xứng của mạng nguyên tử. Nhưng khi đội khoa học sử dụng một đầu nhọn phân cực spin, nó thể hiện sự kết hợp từ yếu với cobalt, và chính hình ảnh đó cho thấy trật tự từ của cấu trúc, biểu hiện thành phần phụ thuộc spin. “Một điểm hấp dẫn nữa với kĩ thuật chụp ảnh xử lí từ là độ phân giải không gian cực cao và trật tự từ cao, mặc dù chi phí thực nghiệm và phân tích có tăng lên chút ít,” Wolter nói. Theo ông, khám phá thực nghiệm đầu tiên này là có chút may mắn, và kĩ thuật cần được cải tiến để cho chất lượng hình ảnh tốt hơn.

Để xác nhận thực tế là mức độ tự do spin có đóng góp cho sự ma sát của hệ, đội khoa học đã cho chạy các mô phỏng Monte Carlo, sử dụng một hệ rất giống với hệ thực nghiệm. Hệ mô phỏng cho kết quả ăn khớp. Wiesendanger cho biết độ lớn của sự đóng góp ma sát do spin là ngang với sự ma sát phụ thuộc dao động mạng hay ma sát điện tử. Nhóm của ông cũng hi vọng sự ma sát spin là một hiện tượng chung xảy ra ở nhiều hệ, chứ không riêng ở những hệ từ tính.

Theo các nhà nghiên cứu, khám phá trên giúp họ hiểu rõ hơn cơ sở của sự ma sát, và nghiên cứu của họ còn là điểm xuất phát hướng đến định cỡ tầm quan trọng của mức độ tự do spin trong “các hiện tượng bề mặt”, ví dụ như sự khuếch tán của các nguyên tử từ tính trên các chất nền từ tính. Ở cấp độ thực tiễn hơn, nghiên cứu của họ có ích cho các hệ lưu trữ dữ liệu từ tính ví dụ như đĩa cứng, hay những động cơ từ có bộ phận trượt.

Tham khảo: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i11/e116102

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

Bài trước | Bài kế tiếp