Những tính chất mới được phát hiện của các vật liệu phi từ

Một nhóm các nhà khoa học ở bang Penn (Hoa kỳ) lần đầu tiên cho biết rằng; hầu hết các vật liệu phi từ, thường được sử dụng trong các linh kiện máy tính, có thể có những tính chất mà các nhà khoa học chưa biết đến. Những phát hiện mới này rất quan trọng vì chúng cho biết những thông tin chưa hề được biết đến về cấu trúc cùng hàng loạt các tính chất của những vật liệu này. Tính chất của vật liệu như là độ dẫn điện, độ bền cơ để xác định đặc tính sử dụng của vật liệu. Nghiên cứu này sẽ được công bố trên tạp chí Physical Review Letters trong thời gian tới.

Giáo sư ngành khoa học và công nghệ vật liệu, Venkatraman Gopalan, ở trung tâm khoa học nano của bang Penn, cũng là người đứng đầu dự án này cho biết “Tính chất của một vật liệu được xác định bởi cấu trúc của nó. Nếu như tôi tìm ra những điều ẩn chứa bên trong một hòn đá, chẳng hạn như cấu trúc của nó bao gồm các hạt tinh thể quartz, tôi có thể nói cho các bạn biết các tính chất mà tinh thể có hay không dựa trên tính đối xứng và số lượng các mặt tinh thể cũng như sự sắp xếp của chúng. Tính đối xứng là kết quả từ sự sắp xếp các nguyên tử bên trong của tinh thể quartz. Đó là một phương pháp vô cùng hiệu quả để khám phá thế giới của chúng ta”.

Các vât liệu phi từ tính mà Gopalan cùng các đồng nghiệp đã nghiêncứu được cho rằng thuộc nhóm đối xứng gồm 32 kiểu mạng tinh thể đối xứng khác nhau tồn tại trong tự nhiên, hay còn gọi là các nhóm đối xứng điểm. Trái lại, các vật liệu từ có 90 nhóm đối xứng điểm khác nhau bởi vì các hạt nguyên tử của chúng có các spin từ có thể tưởng tượng giống như các dòng loops nhỏ. Gopalan cho biết thêm “ Chuyển động là một khía cạnh quan trọng của từ tính. Từ tính sinh ra trong tự nhiên khi các hạt mang điện chuyển động hoặc quay quanh chính nó”.

Trong một thời gian dài, các nhà khoa học đã tin rằng tính đối xứng làm cho các vật liệu từ có nhiều tính chất hơn các vật liệu phi từ, và khi đổi chiều các spin sẽ tạo ra một đối xứng mới của các vật liệu từ. Nhưng nhóm của Gopalan đã chứng minh rằng về mặt lý thuyết các vật liệu phi từ cũng có nhiều tính chất như các vật liệu từ. Theo ông, một vài vật liệu phi từ có những nhóm nguyên tử bị xô lệch do chuyển động xoắn hoặc quay. Chỉ một chuyển động nhỏ này cũng tương đương với một dòng loop nhỏ và đủ để cho vật liệu có thêm những tính chất mà trước đây được cho là chỉ có ở vật liệu từ.

Hình 1. Một mạng tinh thể phi từ (hình A) có thể có dạng đối xứng tương tự như một mạng tinh thể của vật liệu từ (hình B). Cả hai mạng mô tả trên có cùng nhóm đối xứng điểm mà các nhà khoa học gọi la 4‘mm’

Các nhà khoa học đã kiểm chứng các giả thuyết của mình trên strontium titanate, một vật liệu phi từ. Họ hạ nhiệt độ của vật liệu và thấy rằng các nguyên tử ôxy phản ứng bằng cách xoắn vào các vị trị sâu hơn để giữ năng lượng và không gian. Gopalan nói rằng “ Các nguyên tử ôxy không quay theo vòng tròn giống như một vòng loop như các vật liệu từ, tuy nhiên các phân tích lý thuyết cho thấy rằng chúng có xoắn và do đó các vật liệu này có thể có những tính chất mà chúng ta chưa hề biết đến”.

Sau đó, họ đã kiểm tra xem chuyển động xoắn này có chuyển thành các tính chất mới nào không. Đặc biệt, họ đã dự đoán và kiểm tra tính chất quang học và họ gọi là ro to họa âm thế hệ 2 (roto second harmonic generation), tương tự như một tính chất đã biết thường gọi là từ tính họa âm thế hệ 2 (magnetic second harmonic generation). Họa âm thế hệ 2 đã được tìm thấy trong các tinh thể được sử dụng trong các bút laze màu xanh để chuyển các ánh sáng hồng ngoại thành ánh sáng laze màu xanh. Nhóm nghiên cứu đã thấy rằng vật liệu strontium titanate có một lượng nhỏ roto họa âm thế hệ 2.

Gopalan cho biết “ Không một ai nghĩ đến các tính đối xứng liên quan đến vật liệu phi từ giống như strontium titanate, nhưng đó lại chính xác là những gì trong bài báo của chúng tôi. Lần đầu tiên chúng tôi phân tích lý thuyết trong đó áp dụng tính đối xứng cho các vật liệu phi từ điều mà chỉ được mô tả trong các vật liệu từ. Tiếp đến chúng tôi đã kiểm tra thực nghiệm với vật liệu phi từ cụ thể và nhận ra rằng đó là một tính chất mà trước đây được cho là chỉ các vật liệu từ mới có. Chúng tôi cũng đề xuất rất có thể sẽ có nhiều nhóm đối xứng hơn cho các vật liệu phi từ và cũng có nhiều hơn các tính chất của chúng hơn những gì chúng ta đã biết”.

Những kết quả này có thể dẫn đến một sự bùng nổ các nghiên cứu để tìm kiếm các tính chất mới của vật liệu phi từ và ứng dụng của các tính chất này. Peter Schiffer, Giáo sư vật lý của bang Penn đồng thời cũng là phó chủ nhiệm dự án nói rằng “ Các vật liệu này đã được sử dụng trong hàng trăm ứng dụng khác nhau, tuy nhiên, những phát kiến mới này hứa hẹn tìm ra nhiều ứng dụng hơn thế”.

Tham gia nghiên cứu cùng Gopalan còn có các nhà nghiên cứu ở bang Penn như Sava Denev, Amit Kumar, Michael Biegalski, Aravind Vasudevarao, Darrell Schlom và Susan Trolier-McKinstry, và các nhà khoa học đến từ các trường Đại học Wisconsin và Đại học Sheffield ở Vương quốc Anh. Họ cũng lên kế hoạch để tiến hành kiểm tra các vật liệu phi từ khác với hy vọng sẽ đạt được sự phân loại mới các vật liệu phi từ cũng như các tính chất của chúng. Nghiên cứu này được thực hiện dưới sự tài trợ của Quỹ khoa học quốc gia và Trung tâm nghiên cứu Naval – Hoa Kỳ.

(Nguồn: http://www.sciencedaily.com/releases/2008/06/080611161041.htm)

Việt Bắc @ MES Lab., (biên dịch)