Chế tạo nam châm nano từng nguyên tử một

Các nhà vật lí ở Đức vừa phát triển một kĩ thuật mới tạo ra những nam châm nhỏ xíu bằng cách sử dụng đầu nhọn hiển vi nhặt ra và đặt từng nguyên tử sắt một. Các nam châm cỡ nano mét ấy có thể có nhiều hình dạng khác nhau, còn đầu nhọn hiển vi thì có thể dùng để đo các tính chất của chúng. Sau khi so sánh kết quả của họ với những mô phỏng trên máy tính của các nam châm nano, các nhà nghiên cứu tìm thấy sự sai lệch có thể hướng đến những hiệu ứng từ cỡ nguyên tử cho đến nay vẫn chưa rõ.

“Kĩ thuật lắp ráp mà chúng tôi sử dụng rất giống với trò chơi LEGO của con trẻ,” thành viên đội nghiên cứu, Jens Wiebe thuộc trường Đại học Hamburg, giải thích. “Những viên gạch cấu trúc của chúng tôi là những nguyên tử sắt nằm trên một bề mặt đồng rất sạch, và mỗi viên gạch hành xử giống như một kim la bàn nhỏ có thể hướng theo một trong hai chiều – hướng lên hoặc hướng xuống. Điều này cho phép chúng tôi lắp ráp các nam châm mà những nguyên tử thành phần của chúng có thể sắp xếp theo nhiều cấu hình khác nhau.”

 

Các nguyên tử sắt bám trên bề mặt đồng được lắp ráp thành những nam châm hình dạng khác nhau. Các nguyên tử xuất hiện dưới dạng những đỉnh nhọn trong ảnh chụp hiển vi quét chui hầm phân cực spin này. Sự định hướng từ của từng nguyên tử sắt được biểu diễn bởi màu sắc của đỉnh nhọn, với màu vàng là hướng lên và màu xanh là hướng xuống. (Ảnh: Jens Wiebe)

Các nguyên tử sắt bám trên bề mặt đồng được lắp ráp thành những nam châm hình dạng khác nhau. Các nguyên tử xuất hiện dưới dạng những đỉnh nhọn trong ảnh chụp hiển vi quét chui hầm phân cực spin này. Sự định hướng từ của từng nguyên tử sắt được biểu diễn bởi màu sắc của đỉnh nhọn, với màu vàng là hướng lên và màu xanh là hướng xuống. (Ảnh: Jens Wiebe)

nhà nghiên cứu tại trường Đại học Hamburg và Viện Mô phỏng Cao cấp ở Jülich có thủ lĩnh là Roland Wiesendanger. Họ đã sử dụng đầu nhọn của một kính hiển vi quét chui hầm phân cực spin để xây dựng những nam châm nano của họ. Đầu nhọn hiển vi có thể định vị với độ chính xác cao phía trên các nguyên tử sắt và có thể xác định vị trí của từng nguyên tử trên bề mặt đồng. Nếu đầu nhọn được mang đến đủ gần một nguyên tử, thì có thể dùng nó để “nhặt” nguyên tử lên và đưa nó đến một vị trí khác.

Những chuỗi, bộ ba và bông hoa

“Chúng tôi có thể chế tạo các nam châm nhân tạo từng nguyên tử một có nhiều hình dạng khác nhau – ví dụ như dạng chuỗi, bộ ba và hình ‘bông hoa’,” Wiebe nói. “Ngoài ra, đầu nhọn của kính hiển vi được tráng một chất liệu từ cho phép chúng tôi đo đường cong từ hóa của từng nguyên tử sắt thành phần bên trong nam châm đó.”

Đội nghiên cứu đã so sánh các kết quả thực nghiệm của họ với những tính toán lí thuyết dựa trên mô hình từ học Ising. Các nhà nghiên cứu tìm thấy ở giá trị từ trường ngoài thấp, đường cong từ hóa của các chuỗi nguyên tử sắt lắp ráp khác với đường cong mà lí thuyết tiên đoán. Tuy nhiên, khi từ trường ngoài lớn, các đường cong lí thuyết và thực nghiệm lại khớp với nhau.

“Nói đại khái, những đường cong dốc ngược nhau mà chúng tôi thấy với trường hợp từ trường thấp gợi ý đến một từ trường khác nữa tác dụng ngược với từ trường ngoài (B), hay sự có mặt của một moment từ khác nữa kết hợp phản sắt từ với các nguyên tử ở đầu chuỗi,” Wiebe nói. “Thật vậy, chúng tôi có thể tái tại những tương tự với trường hợp từ trường thấp của một số chuỗi bằng cách xét một từ trường nữa theo mô hình Ising tỉ lệ với – B (ngược hướng với B) hoặc gộp thêm một moment từ nữa khoảng chừng 5 magneton Bohr kết hợp phản sắt từ với đầu chuỗi với ‘hằng số hoán đổi’ khoảng – 50 MeV.”

Theo ông, nguồn gốc của một từ trường hoặc một moment nữa như thế hiện nay vẫn chưa rõ và dường như chỉ ảnh hưởng đến những chuỗi thẳng chứ không ảnh hưởng đến những cấu trúc nano nhỏ gọn như bộ ba hoặc hình bông hoa.

Những câu hỏi cơ bản

Theo đội nghiên cứu, nếu áp dụng cho những nam châm gồm một số lượng lớn nguyên tử, kĩ thuật trên có thể giúp các nhà khoa học giải quyết những câu hỏi cơ bản trong lĩnh vực từ học về “thủy tinh spin” hoặc “chất lỏng spin”, chúng là những trạng thái từ tính của những chất rắn nhất định.

Các nhà nghiên cứu hi vọng sẽ chế tạo thêm những nam châm nano mới lạ bằng sự kết hợp thích hợp của các nguyên tố trong bảng tuần hoàn hóa học.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Physics.

Alpha Physics – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Khi dòng điện tác dụng lên nam châm
08/06/2022
Khả năng khai thác lượng điện năng có vẻ vô tận là một trong những nền tảng của thế giới hiện đại. Công nghệ ấy
Nhận thức lịch sử về nam châm
28/05/2022
Vào năm 1600, một bác sĩ người Anh cho biết ngoài trọng lực, Trái Đất còn tác dụng những lực khác khi ông chỉ ra rằng hành
Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com