Trong các chất sắt từ thông thường, mômen từ của từng nguyên tử cùng nhau hợp thành từ tính của vật liệu đều sắp hàng song song với nhau, hướng theo cùng một chiều. Trong một số chất sắt từ, các tương tác cơ lượng tử giữa các electron của một chất hoặc sự có mặt của các điện trường nội, chẳng hạn, làm cho sự sắp xếp từ tính phức tạp hơn nhiều.
Ảnh nhìn từ trên xuống của skyrmion quan sát trực tiếp bằng kính hiển vi điện tử truyền Lorentz. Ảnh: 2010 X.Z. Yu et al.
Một sắp xếp hiếm gặp của các mômen từ, cái gọi là skyrmion, đã được ghi ảnh trực tiếp bởi một đội nghiên cứu, đứng đầu là Yoshinori Tokura thuộc Viện Khoa học Cao cấp RIKEN ở Wako, Nhật Bản. Tokura cùng các đồng nghiệp của ông ở RIKEN và các viện nghiên cứu khác ở Nhật Bản và Hàn Quốc xác nhận rằng các skyrmion rất bền và sự hoạt động của chúng có thể tạo lập nền tảng cho các bộ nhớ từ hoặc các dụng cụ điện tử mới lạ.
Bạn có thể hình dung một skyrmion là một sắp xếp kiểu xoắn ốc của các mômen từ mà khi tiến về phía tâm của cấu trúc, sự xoắn ốc tăng dần và uốn cong xuống dưới. Trong các thí nghiệm trước đây do những nhóm nghiên cứu khác thực hiện, sự tồn tại của các skyrmion đã được suy luận ra gián tiếp nhưng các nỗ lực ghi ảnh chúng, và xác nhận cấu trúc của chúng, đã thất bại do kích cỡ nhỏ của chúng với đường kính chỉ chừng 90 nano mét.
Tokura và đội của ông thực hiện quan sát trực tiếp các skyrmion của họ bằng cách sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua Lorentz, dụng cụ thích hợp để ghi ảnh các cấu trúc từ ở độ phân giải rất cao. Trước đây, các nhà vật lí xem loại thí nghiệm này là không thể thực hiện vì việc quan sát các skyrmion đòi hỏi thiết lập các từ trường ngoài mà theo họ chúng sẽ làm nhiễu quá trình tạo ảnh của kính hiển vi điện tử. Tuy nhiên, đội nghiên cứu nhận ra rằng vấn đề này có thể khắc phục bằng cách sử dụng các từ trường ngoài vuông góc với thấu kính tạo ảnh của kính hiển vi. Tokura cho biết điều này đã mang tới sự đột phá cho phép họ trình hiện diện mạo của các skyrmion một cách hết sức rõ ràng.
Ngoài việc quan sát sự sắp xếp tuần hoàn như trông đợi của nhiều skyrmion, các nhà nghiên cứu còn có thể quan sát thấy các skyrmion cô lập và xác nhận chúng còn là những thực thể bền vững. Sự vận động của từng skyrmion có thể có ứng dụng trong các bộ nhớ từ tính mới lạ hoặc các dụng cụ điện tử mới, Tokura cho biết như vậy.
Tuy nhiên, việc hiện thực hóa những ứng dụng như vậy đòi hỏi có thêm nghiên cứu thực sự. Cho đến nay, các skyrmion chỉ mới được quan sát thấy ở nhiệt độ trên dưới 40 Kelvin. “Trong tương lai, chúng ta không những cần tìm những chất liệu mới trong đó các skyrmion bền ở nhiệt độ phòng, mà còn phải tìm các phương pháp thao tác trên chuyển động của chúng qua các hiệu ứng điện từ”, Tokura giải thích. Ông cho biết một số chất liệu oxide từ đã biết có thể đáp ứng những điều kiện này và cuối cùng có thể đưa đến các dụng cụ gốc skyrmion.
Nguồn: RIKEN, PhysOrg.com
