Các chùm electron xoáy tít có khả năng đo và thao tác trên các tính chất của từng nguyên tử độc thân.
Với các xoáy electron, các nhà khoa học vật liệu có thể lập bản đồ các vật liệu nano một cách chi tiết hơn. Ảnh: Đại học Công nghệ Vienna
Các xoáy electron quay tròn có thể giúp các nhà khoa học vật liệu lập bản đồ các tính chất của các vật liệu nano một cách chi tiết. Một kĩ thuật, công bố trên số ra tuần này của tạp chí Nature, có thể dùng trong kính hiển vi điện tử là một phần của cái mà các nhà khoa học tìm kiếm bấy lâu nay, đó là thu nhỏ kích cỡ của các chip điện tử.
Các nhà quang học vẫn thường sử dụng các chùm laser xoáy ốc, trong đó các sóng ánh sáng bị xoắn lại thành các xoáy, trong gần 30 năm qua, theo lời Jo Verbeeck, một nhà khoa học vật liệu tại trường Đại học Antwerp ở Bỉ và là tác giả đứng đầu bài báo trên. Những chùm xoáy này thường được sử dụng để bẫy và làm di chuyển các hạt sinh học vi mô cho nghiên cứu trong phòng lab. “Giống như là chúng bị bắt giữ trong mắt bão”, Verbeeck nói.
Các nhà khoa học vật liệu muốn có thể làm xoắn các chùm electron dùng trong kính hiển vi điện tử theo kiểu tương tự. “Một chùm xoáy electron có thể thao tác trên vật liệu nano chỉ dày vài ba nguyên tử”, Verbeeck nói. Như vậy nó có thể hỗ trợ các nỗ lực chế tạo các chip điện tử ngày một nhỏ hơn.
Hồi đầu năm nay, Masaya Uchida và Akira Tonomura tại Viện Khoa học Cao cấp ở Wako, một phần của mạng lưới phòng nghiên cứu của Nhật Bản gọi là RIKEN, đã chứng tỏ rằng các chùm electron có thể bị xoắn. Họ đã cho một chùm electron đi qua một chồng graphite màng mỏng, chúng xếp thành lớp để bắt chước một bài bậc đầu tiên của cầu thang xoắn ốc.
Khi chùm electron đi qua chồng vật liệu, những phần khác nhau của nó bị so le đi những lượng khác nhau, tùy thuộc vào có bao nhiêu “bậc thang” graphite mà nó phải đi qua. Cho nên khi chùm hạt ló ra, nó có dạng xoắn ốc.
Nhược điểm của phương pháp này là khó chế tạo và duy trì một ‘cầu thang’ nào khác ngoài loại chất liệu mỏng manh như vậy, Verbeeck nói. Một khi một chùm electron đi qua nó sẽ làm hỏng mất nó, phá vỡ cấu trúc bậc thang chính xác cần thiết. “Đây là một chi tiết rất thú vị của công trình trên, nhưng cho dù bạn có tạo ra một chùm electron xoắn ốc vào một ngày nào đó chăng nữa, thì bạn cũng không dễ dàng gì trở lại thực hiện được điều đó trong ngày hôm sau, sử dụng chính thiết bị hôm trước đó”, ông nói.
Mặt nạ platinum
Verbeeck và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng một phương pháp khác, dựa trên kĩ thuật ảnh nổi ba chiều do máy tính tạo ra. Họ tạo ra một ‘mặt nạ’ – một miếng mỏng platinum, với một khuôn dạng lưới nhất định khắc trên đó – đặt trong đường đi của chùm hạt. Các nhà nghiên cứu đã cho chạy các mô phỏng máy tính để tìm ra cấu hình lưới chính xác sẽ làm cho chùm electron phân tách khi nó đi qua mặt nạ và kết hợp trở lại thành một xoắn ốc ở phía bên kia. “Lần đầu tiên chúng ta thử cái mặt nạ, nó tạo chùm tia xoắn ốc đúng như dự đoán. Tôi thật bất ngờ trước việc nó dễ tạo ra như vậy”, Verbeeck nói. “Đó là sức mạnh của phương pháp của chúng ta: nó sẽ dễ dàng cho những người khác thực hiện và sử dụng”.
“Đây không phải là minh chứng đầu tiên của một xoáy electron, nhưng là lần đầu tiên nó được chứng minh theo một kiểu có thể dễ dàng thực hiện ở nhiều chiếc kính hiển vi điện tử”, phát biểu của Javier García de Abajo, một chuyên gia kính hiển vi điện tử tại Viện Quang học ở Madrid. “Kết quả này sẽ có những hệ quả sâu rộng”.
Ứng dụng dễ thấy nhất của chùm xoắn ốc sẽ là đo các tính chất từ của các hạt nano. Khi các chùm electron xoắn ốc đi qua các hạt từ tính, trên lí thuyết, thì mức độ quay của chúng sẽ thay đổi, tùy thuộc vào độ lớn của từ trường. Verbeeck và đội của ông đã xác nhận trường hợp này bằng cách chiếu chùm hạt xoắn ốc lên trên một màng mỏng sắt từ.
Uchida hoan nghênh phương pháp tạo ra chùm hạt xoắn ốc như trên. Kĩ thuật này “rất quan trọng”, ông nói, vì nó sẽ mở rộng khả năng hoạt động của các kính hiển vi điện tử thông thường và sẽ cho phép “phân tử từ tính từng nguyên tử một trong tương lai gần”.
Verbeeck và đội của ông đang kiểm tra xem chùm hạt ngoài việc khảo sát còn có thể thao tác trên từng nguyên tử độc thân hay không. Nếu như thành công, theo lời García de Abajo, thì chùm xoắn ốc sẽ là một tài nguyên quan trọng cho những ai đang nghiên cứu cách thu nhỏ các chip điện tử xuống chỉ còn vài ba nguyên tử. “Đối với những ứng dụng đó, bạn cần có những công cụ có thể chế tạo ra các con chip như vậy và khống chế trên cái các nguyên tử đang thực hiện”, ông nói.
Kĩ thuật trên cũng có thể giúp các nhà vật lí tìm hiểu thêm về các vật liệu mới lạ, thí dụ các chất siêu chảy và siêu dẫn, chúng thường chứa các xoáy ốc phát sinh khi dòng điện đi qua chúng.
Các xoáy tự nhiên phát sinh tự phát bên trong những chất liệu khó mà nghiên cứu được, vì khó tách rời hành trạng của chúng bên trong chất liệu mới lạ đó, nơi mà những hiện tượng không có liên quan khác cũng đang diễn ra. Tuy nhiên, theo Verbeeck, chùm xoáy electron của đội nghiên cứu của ông có thể được cấu hình để bắt chước hành trạng của những xoáy tự nhiên này, tác dụng như một mô hình dễ điều khiển cho các nhà khoa học vật liệu nghiên cứu. “Nhưng đó là một mục tiêu rất xa vời”, ông nói.
Nguồn: Nature
