Tái phát minh từ tính: Tiến bộ đột phá trong nghiên cứu vật liệu tôpô tại MIT

Một nghiên cứu mới do Mingda Li, phó giáo sư tại Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân tại MIT dẫn đầu, và đồng tác giả bởi Nathan Drucker, trợ lý nghiên cứu sau đại học thuộc Nhóm Đo lường Lượng tử MIT và nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý ứng dụng tại Đại học Harvard, cùng Thanh Nguyen và Phum Siriviboon, các nghiên cứu sinh thuộc Nhóm Đo lường Lượng tử MIT, đang thách thức quan điểm truyền thống này.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications là nghiên cứu đầu tiên chứng minh rằng cấu trúc liên kết có thể ổn định trật tự từ thậm chí cao hơn nhiệt độ chuyển tiếp từ - điểm mà từ tính thường bị phá vỡ.

Drucker, tác giả chính của bài báo, cho biết: "Một sự tương tự mà tôi muốn sử dụng để mô tả lý do tại sao điều này có hiệu quả là hãy tưởng tượng một dòng sông đầy khúc gỗ và các khúc gỗ tượng trưng cho khoảnh khắc từ tính trong vật liệu. Để từ tính hoạt động, bạn cần tất cả những khúc gỗ đó phải hướng về cùng một hướng. Theo cùng một hướng hoặc có một khuôn mẫu nhất định giữa chúng. Nhưng ở nhiệt độ cao, các khoảnh khắc từ đều hướng về các hướng khác nhau, chỉ là giống như những khúc gỗ trên sông, và từ tính bị phá vỡ. "Nhưng điều quan trọng của nghiên cứu này là nước thực sự đang thay đổi", ông nói tiếp. Điều mà chúng tôi đã chỉ ra là nếu bạn thay đổi các đặc tính của chính nước, thay vì đặc tính của các khúc gỗ, bạn có thể thay đổi sự tương tác giữa các khúc gỗ, từ đó tạo ra từ tính.

Trong khi các vật liệu tô pô đã được sử dụng để chế tạo cảm biến, con quay hồi chuyển, v.v., chúng cũng được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như vi điện tử, nhiệt điện và thiết bị xúc tác.

Linda Ye, trợ lý giáo sư vật lý tại Khoa Vật lý, Toán học và Thiên văn học tại Caltech, nói thêm rằng kết quả "khá đáng ngạc nhiên và phản trực giác" này sẽ có tác động đáng kể đến công việc nghiên cứu các vật liệu tôpô trong tương lai.

Công trình nghiên cứu cho thấy các nút tôpô điện tử không chỉ đóng vai trò ổn định trật tự từ tính tĩnh mà nhìn chung chúng có thể đóng vai trò trong việc tạo ra dao động từ tính. Một kết luận tự nhiên rút ra từ điều này là tác động của trạng thái giếng tôpô lên vật liệu có thể lớn hơn nhiều so với suy nghĩ trước đây.Giáo sư vật lý Andre Bonnevig của Đại học Princeton đồng ý, gọi phát hiện này là "khó hiểu và khá đáng chú ý. Người ta biết rằng các nút Weyls được bảo vệ về mặt tôpô, nhưng tác động của sự bảo vệ này lên các đặc tính nhiệt động của các pha là không hoàn toàn rõ ràng. Bài báo của nhóm MIT cho thấy rằng thứ tự tầm ngắn trên nhiệt độ thứ tự bị chi phối bởi các vectơ sóng lồng nhau giữa các fermion Weyl xuất hiện trong hệ thống... Điều này có thể chỉ ra rằng việc bảo vệ các nút Weir ảnh hưởng đến dao động từ ở một mức độ nào đó! "

Làm sáng tỏ bí ẩn của từ tính

Mặc dù những kết quả đáng ngạc nhiên này thách thức những hiểu biết lâu dài về từ tính và cấu trúc liên kết, nhưng chúng là kết quả của các thí nghiệm cẩn thận và sự sẵn sàng khám phá những lĩnh vực có thể đã bị bỏ qua của nhóm nghiên cứu.

"Giả thuyết của chúng tôi là không có khám phá mới nào vượt quá nhiệt độ chuyển đổi từ tính," Li giải thích. "Chúng tôi đã sử dụng năm phương pháp thử nghiệm khác nhau để tạo ra câu chuyện toàn diện này một cách nhất quán và ghép các câu đố lại với nhau."

Để chứng minh rằng từ tính tồn tại ở nhiệt độ cao hơn, trước tiên các nhà nghiên cứu đã kết hợp xeri, nhôm và germani trong lò nung để tạo thành các tinh thể vật liệu có kích thước milimet. Sau đó, các mẫu được đưa vào một loạt thử nghiệm, bao gồm thử nghiệm độ dẫn nhiệt và dẫn điện, mỗi thử nghiệm đều tiết lộ manh mối về hành vi từ tính bất thường của vật liệu.

Drucker cho biết: "Tuy nhiên, chúng tôi cũng sử dụng một số phương pháp kỳ lạ hơn để kiểm tra vật liệu này. Chúng tôi chiếu vào vật liệu một chùm tia X ở cùng mức năng lượng như xeri trong vật liệu, sau đó đo độ tán xạ của chùm tia. Những thử nghiệm này phải được thực hiện trong một cơ sở lớn thuộc phòng thí nghiệm quốc gia của Bộ Năng lượng. Cuối cùng, chúng tôi phải thực hiện các thí nghiệm tương tự tại ba phòng thí nghiệm quốc gia khác nhau để chứng minh rằng trật tự ẩn này tồn tại, và đó là "Một phần của thách thức là thường rất khó thực hiện những thí nghiệm như vậy trên các vật liệu tôpô và thường chỉ có thể thực hiện được bằng chứng gián tiếp trong trường hợp này", Nguyen nói. "Điều bạn làm là thực hiện nhiều thí nghiệm sử dụng các đầu dò khác nhau và khi bạn ghép chúng lại với nhau, chúng sẽ cho chúng ta một câu chuyện rất toàn diện. Trong trường hợp này, có năm hoặc sáu manh mối khác nhau, cùng một loạt thiết bị và phép đo đều đóng vai trò trong nghiên cứu này."

Tác động và hướng đi trong tương lai

Trong tương lai, nhóm nghiên cứu có kế hoạch khám phá xem liệu mối quan hệ giữa cấu trúc liên kết và từ tính có thể được chứng minh trong các vật liệu khác. Họ tin rằng nguyên lý này là phổ quát. Do đó, điều này có thể tồn tại trong nhiều vật liệu khác, điều này mở rộng sự hiểu biết của chúng ta về vai trò của cấu trúc liên kết. Chúng tôi biết rằng nó có thể đóng vai trò trong việc tăng tính dẫn điện và giờ đây chúng tôi đã chứng minh được rằng nó cũng có thể đóng vai trò trong từ tính, trong khi các thiết bị như vậy đã có sẵn. Li cho biết: "Chúng tôi đã nghiên cứu nhiều vật liệu nhiệt điện tuyệt vời và chúng đều là vật liệu tôpô". Điều này sẽ giúp chúng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn chẳng hạn. Hiện tại, nhiều pin mặt trời chỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ rất thấp để thu nhiệt thải. Một hệ quả rất tự nhiên của việc này là chúng sẽ có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn."

Nghiên cứu này cho thấy một cách thuyết phục rằng mặc dù các vật liệu bán kim loại tôpô đã được nghiên cứu trong nhiều năm nhưng người ta biết rất ít về các đặc tính của chúng.

Drucker nói: "Tôi nghĩ công trình của chúng tôi nêu bật một thực tế là khi bạn nhìn vào các thang đo khác nhau này và sử dụng các thí nghiệm khác nhau để nghiên cứu một số vật liệu trên thực tế, những vật liệu này có một số tính chất nhiệt điện, điện và từ rất quan trọng sau đó bắt đầu xuất hiện. Vì vậy, tôi nghĩ điều này cung cấp gợi ý không chỉ về cách chúng ta có thể sử dụng những thứ này cho các ứng dụng khác nhau mà còn cho nghiên cứu cơ bản khác về cách chúng ta có thể hiểu rõ hơn về các hiệu ứng dao động nhiệt này."