Một loại vật liệu mới gọi là “á kim thung lũng spin” vừa được các nhà vật lí ở Nga, Nhật Bản và Mĩ dự đoán dựa trên tính toán. Mặc dù chưa được triển khai trong phòng thí nghiệm, nhưng đội nghiên cứu cho biết vật liệu trên có thể được ứng dụng trong các loại dụng cụ điện tử gốc carbon và tương thích sinh học.
Á kim là những vật liệu trong đó chỉ những electron có một phân cực spin nhất định (spin-up, chẳng hạn) tham gia vào sự dẫn điện. Do đó, những vật liệu này có thể tạo ra dòng điện với 100% phân cực spin. Điều này có nghĩa là các á kim có thể rất hữu ích cho việc chế tạo các dụng cụ điện tử học spin – các dụng cụ sử dụng spin của electron để lưu trữ và xử lí thông tin.
Tương tác mạnh
Các vật liệu được gọi là á kim là những hợp chất chứa các kim loại chuyển tiếp như nickel và mangan. Các nguyên tố này đảm bảo rằng có tương tác mạnh giữa các electron dẫn, đem lại sự phân cực spin. Tuy nhiên, các hợp chất kim loại này không thích hợp cho một vài ứng dụng trong tương lai của điện tử học spin như các dụng cụ điện tử tương thích sinh học và dụng cụ dựa trên carbon và phân tử hữu cơ.
Hình minh họa các mức năng lượng của một á kim thung lũng spin. Đường nét dày màu đen là mặt Fermi và các mũi tên đỏ và xanh lần lượt tương ứng với spin của lỗ trống và electron. (Ảnh: Viện Vật lí và Công nghệ Moscow)
Công trình mới này của Alexander Rozhkov, Artem Sboychakov, Kliment Kugel tại Viện Điện động lực học Lí thuyết và Ứng dụng ở Moscow, RIKEN ở Nhật Bản và Đại học Michigan ở Mĩ. Đội đã thực hiện các phép tính đề xuất rằng có thể chế tạo các á kim từ những hợp chất không chứa các kim loại chuyển tiếp.
Các nhà nghiên cứu tập trung vào những vật liệu gọi là chất cách điện sóng mật độ spin, chúng có chứa một cấu hình vùng tuần hoàn vi mô với phân cực spin khác không. Những vật liệu này có bốn dải năng lượng được đặc trưng bởi hạt mang điện (electron hoặc lỗ trống) và hạt mang spin (up hoặc down). Những dải như vậy thường được gọi là thung lũng và các dụng cụ cố gắng khai thác chúng nhằm các mục đích thực tiễn được gọi là “điện tử học thung lũng”.
Hai thung lũng
Các phép tính mà Rozhkow cùng đồng sự thực hiện cho thấy khi pha tạp hai chất cách điện sóng mật độ spin bằng những nguyên tử tạp chất, hai thung lũng sẽ hút lấy hạt mang điện và do đó gây ra sự dẫn điện. Hai thung lũng này có thể tạo nên cơ sở của một á kim. Tùy thuộc vào thành phần của vật liệu pha tạp, nó có thể là một á kim bình thường hoặc một loại vật liệu mới mà các nhà nghiên cứu đặt tên là “á kim thung lũng spin”.
Sboychakov cho biết nay đã đến lúc cho các nhà vật lí thực nghiệm thử chế tạo các hợp chất pha tạp trên. “Có nhiều vật liệu được mô tả thỏa đáng bởi mô hình mà chúng ta xử lí,” ông nói. “Vì thế, tôi cảm thấy bị thuyết phục rằng giai đoạn mà chúng tôi dự đoan cuối cùng sẽ được khám phá, hoặc ở một vật liệu có sẵn hiện nay hoặc ỏ một vật liệu cho đến nay vẫn chưa được tổng hợp”.
Nghiên cứu được mô tả trên tạp chí Physical Review Letters.
Nguồn: physicsworld.com
