Các nhà khoa học tại ETH Zurich đã phát hiện ra một loại từ tính mới. Các thí nghiệm cho thấy các vật liệu được tạo ra nhân tạo trở nên có từ tính thông qua một cơ chế chưa từng thấy trước đây. Khi spin của tất cả các electron trong vật chất hướng theo cùng một hướng thì nó được gọi là hiện tượng sắt từ. Nhưng còn có những dạng từ tính khác, chẳng hạn như thuyết thuận từ, một dạng từ tính yếu hơn xảy ra khi các spin của electron hướng theo các hướng ngẫu nhiên.
Trong nghiên cứu mới này, các nhà khoa học tại ETH đã phát hiện ra một dạng từ tính mới đặc biệt. Các nhà nghiên cứu đang khám phá tính chất từ của vật liệu mol, một vật liệu thí nghiệm được làm từ các chồng các tấm molypden diselenide và vonfram disulfide hai chiều. Những vật liệu này có cấu trúc mạng có thể chứa các electron.
Để tìm ra loại từ tính nào mà các vật liệu phân tử này có, trước tiên, nhóm nghiên cứu đã "bơm" các electron vào vật liệu bằng cách đặt một dòng điện và tăng đều đặn điện áp. Sau đó, để đo từ tính của vật liệu, họ chiếu sáng vật liệu bằng tia laser và đo mức độ phản xạ của ánh sáng ở các độ phân cực khác nhau, cho biết liệu các spin của electron có hướng theo cùng một hướng (biểu thị tính sắt từ) hay theo các hướng ngẫu nhiên (biểu thị tính thuận từ).
Vật liệu ban đầu thể hiện tính chất thuận từ, nhưng khi nhóm nghiên cứu thêm nhiều electron vào mạng, nó đột nhiên trải qua một sự thay đổi bất ngờ và trở thành sắt từ. Điều thú vị là, quá trình chuyển đổi này xảy ra chính xác khi mạng chỉ chứa một electron trên mỗi vị trí mạng, loại trừ các tương tác trao đổi – cơ chế thông thường thúc đẩy hiện tượng sắt từ.
Ataç Imamoğlu, tác giả đầu tiên của nghiên cứu, cho biết: "Đây là bằng chứng nổi bật về một loại từ tính mới không thể giải thích bằng tương tác trao đổi."
Nhóm nghiên cứu đã đề xuất một cơ chế khác: Khi có nhiều hơn một electron đi vào một vị trí mạng, chúng kết hợp thành các hạt gọi là "cặp song sinh" và cuối cùng lấp đầy toàn bộ mạng thông qua các đường hầm lượng tử. Tuy nhiên, khi chúng làm điều này, các electron giảm thiểu động năng của chúng, điều này chúng làm bằng cách căn chỉnh các spin của chúng, do đó tạo ra tính sắt từ. “Động từ” này đã được dự đoán về mặt lý thuyết trong nhiều thập kỷ, nhưng trước đây chưa từng được quan sát thấy ở các vật liệu rắn.
Các nhà nghiên cứu dự định tiến hành một nghiên cứu sâu hơn về hiện tượng này, bao gồm cả việc liệu nó có thể đạt được ở nhiệt độ cao hơn hay không. Rốt cuộc, trong thí nghiệm này, vật liệu phải được làm lạnh đến nhiệt độ trên độ không tuyệt đối.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.