Khi đặt gần một thanh nam châm, một quả cầu nhôm bị hút nhẹ về phía nam châm. Trái lại, một quả cầu bạc thì bị đẩy ra xa từ trường. Cơ sở của những hiện tượng khác nhau này được gọi tương ứng là sự thuận từ và nghịch từ. Thật bất ngờ, một chất liệu gọi là BiTeI – gồm những lớp nguyên tử bismuth, tellurium và iodine – có thể là nghịch từ hoặc thuận từ, tùy thuộc chúng đã được xử lí như thế nào.
BiTeI hình thành từ những lớp bismuth, tellurium và iodine (trái). Năng lượng bề mặt của chất liệu này gồm hai lớp (phải), đó là một biểu hiện của sự kết hợp spin-quỹ đạo ở chất liệu này. Ảnh: 2012 Mohammad Saeed Bahramy, RIKEN Advanced Science Institute
Đó là kết quả của một đội nghiên cứu quốc tế đứng đầu là Naoto Nagaosa và Yoshinori Tokura thuộc Viện Khoa học Tiên tiến RIKEN ở Wako, Nhật Bản. Kết quả thật bất ngờ vì nó đòi hỏi một cơ chế khác thường để làm cho chất liệu có từ tính ban đầu. Ở BiTeI và những chất liệu có liên quan, chuyển động của các electron có đóng góp quan trọng nhất cho từ tính của chúng. Nói đại khái thì các electron chuyển động trong các quỹ đạo xung quanh nguyên tử. “Chuyển động quỹ đạo thường chỉ đi cùng với tính nghịch từ,” Nagaosa giải thích. “Vì thế, chúng tôi đã rất bất ngờ khi tính toán của chúng tôi [dự đoán] rằng [cũng] có sự thuận từ quỹ đạo ở BiTeI.” Nhóm thực nghiệm do Tokura chỉ đạo đã xác nhận tiên đoán trên, và công bố kết quả trong cùng một bài báo.
Sự nghịch từ quỹ đạo đã được quan sát thấy ở rất nhiều chất liệu đa dạng, trong đó có những chất phổ biến như nước. Trước đây, khả năng của sự thuận từ quỹ đạo chỉ được xét đến bởi một vài nghiên cứu lí thuyết. Một cơ chế có thể gây ra một phản ứng thuận từ của các electron trước từ trường được gọi là sự kết hợp spin-quỹ đạo. Sự kết hợp này gắn liền điện tích của electron với spin của nó – tức xung lượng góc nội tại của electron, cái cũng là nguyên nhân gây ra hành trạng từ của chúng. Ở BiTeI, sự kết hợp spin-quỹ đạo đặc biệt mạnh, khiến nó là một chất liệu lí tưởng để khảo sát những hiệu ứng khác lạ của từ tính quỹ đạo.
Để gây ra sự thuận từ quỹ đạo ở BiTeI, thủ thuật là điều khiển số lượng electron chuyển động qua tinh thể. Nagaosa và các đồng sự của ông đã tìm ra một ngưỡng nhất định trong đó chất liệu này là thuận từ. Tuy nhiên, họ chứng minh rằng còn có một chế độ khi sự nghịch từ quỹ đạo được tăng cường mạnh, nên có thể làm biến đổi cơ bản cách thức chất liệu phản ứng với từ trường.
Việc tìm kiếm những ứng dụng công nghệ vẫn còn là nhiệm vụ trong tương lai, nhưng Nagaosa hi vọng những hành trạng khác lạ này sẽ xuất hiện ở một họ hàng chất liệu rộng rãi. “Những hợp chất bismuth khác liên quan với BiTeI cũng biểu hiện những hiệu ứng tương tự, nhưng có khả năng có những chất rắn hoàn toàn khác có sự thuận từ quỹ đạo. Thật vậy, chúng tôi đã có bằng chứng lí thuyết rằng những hiệu ứng chúng tôi mô tả cũng sẽ xảy ra, ví dụ trong những tình huống khác nhau ở những chất liệu dạng graphene,” Nagaosa nói.
Tham khảo: prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i24/e247208
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: PhysOrg.com
