bởi Đại học Colorado ở Boulder

       Sâu bên trong mỗi mảnh vật liệu từ tính, các electron nhảy theo giai điệu vô hình của cơ học lượng tử. Vòng quay của chúng, giống như các đỉnh nguyên tử cực nhỏ, quyết định hành vi từ tính của vật liệu mà chúng sinh sống. Màn múa ba lê siêu nhỏ này là nền tảng của hiện tượng từ tính, và chính những vòng quay này mà một nhóm các nhà nghiên cứu JILA—đứng đầu là JILA Fellows và các giáo sư Margaret Murnane và Henry Kapteyn của Đại học Colorado Boulder—đã học cách kiểm soát với độ chính xác vượt trội, có khả năng xác định lại tương lai của điện tử và lưu trữ dữ liệu.

       Trong ấn phẩm của Science Advances , nhóm JILA cùng với các cộng tác viên từ các trường đại học ở Thụy Điển, Hy Lạp và Đức đã thăm dò động lực học spin bên trong một vật liệu đặc biệt được gọi là hợp chất Heusler: hỗn hợp các kim loại hoạt động giống như một vật liệu từ tính duy nhất.

     Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một hợp chất gồm coban, mangan và gali, hợp chất này hoạt động như một chất dẫn điện cho các electron có spin hướng lên trên và làm chất cách điện cho các electron có spin hướng xuống dưới.

      Sử dụng một dạng ánh sáng gọi là thế hệ cực tím sóng hài cao (EUV HHG) làm đầu dò, các nhà nghiên cứu có thể theo dõi sự định hướng lại của các spin bên trong hợp chất sau khi kích thích nó bằng tia laser femto giây, khiến mẫu thay đổi từ tính của cải. Chìa khóa để diễn giải chính xác sự định hướng lại spin là khả năng điều chỉnh màu sắc của ánh sáng đầu dò EUV HHG.

       Sinéad Ryan, đồng tác giả đầu tiên và sinh viên tốt nghiệp JILA, giải thích: “Trước đây, mọi người chưa thực hiện việc điều chỉnh màu sắc này của HHG”. “Thông thường, các nhà khoa học chỉ đo tín hiệu ở một vài màu khác nhau, có thể nhiều nhất là một hoặc hai màu cho mỗi nguyên tố từ tính.” Trong lần đầu tiên hoành tráng nhất, nhóm JILA đã điều chỉnh đầu dò ánh sáng EUV HHG của họ dọc theo cộng hưởng từ của từng nguyên tố trong hợp chất để theo dõi những thay đổi của spin với độ chính xác đến femto giây (một phần triệu tỷ giây).

       Ryan giải thích thêm: “Trên hết, chúng tôi cũng thay đổi mức độ kích thích bằng tia laser, do đó, chúng tôi đang thay đổi mức năng lượng mà chúng tôi sử dụng để điều khiển các vòng quay”, Ryan nhấn mạnh rằng bước đó cũng là bước thử nghiệm đầu tiên cho loại nghiên cứu này.

         Cùng với cách tiếp cận mới lạ của họ, các nhà nghiên cứu đã hợp tác với nhà lý thuyết và đồng tác giả đầu tiên Mohamed Elhanoty của Đại học Uppsala, người đã đến thăm JILA, để so sánh các mô hình lý thuyết về sự thay đổi spin với dữ liệu thực nghiệm của họ. Kết quả của họ cho thấy sự tương ứng mạnh mẽ giữa dữ liệu và lý thuyết. Ryan nói thêm: “Chúng tôi cảm thấy rằng chúng tôi đã thiết lập được một tiêu chuẩn mới với sự thống nhất giữa lý thuyết và thí nghiệm”.

Tinh chỉnh năng lượng ánh sáng

      Để đi sâu vào động lực học spin của hợp chất Heusler, các nhà nghiên cứu đã mang đến một công cụ cải tiến: đầu dò cực tím có sóng hài cao. Để tạo ra các đầu dò, các nhà nghiên cứu đã tập trung ánh sáng laser 800 nanomet vào một ống chứa đầy khí neon, nơi điện trường của tia laser kéo các electron ra khỏi nguyên tử của chúng và sau đó đẩy chúng trở lại.

      Khi các electron bật trở lại, chúng hoạt động giống như những sợi dây cao su được giải phóng sau khi bị kéo căng, tạo ra những chùm ánh sáng màu tím ở tần số (và năng lượng) cao hơn tia laser đã đẩy chúng ra ngoài. Ryan đã điều chỉnh những vụ nổ này để cộng hưởng với năng lượng của coban và mangan trong mẫu, đo động lực quay của từng nguyên tố cụ thể và hành vi từ tính trong vật liệu mà nhóm có thể thao tác thêm.

Một cuộc cạnh tranh về hiệu ứng quay

      Từ thí nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng bằng cách điều chỉnh công suất của tia laser kích thích và màu sắc (hoặc năng lượng photon) của đầu dò HHG, họ có thể xác định hiệu ứng spin nào chiếm ưu thế tại các thời điểm khác nhau trong hợp chất của họ. Họ so sánh các phép đo của mình với một mô hình tính toán phức tạp gọi là lý thuyết hàm mật độ phụ thuộc thời gian (TD-DFT). Mô hình này dự đoán đám mây electron trong vật liệu sẽ phát triển như thế nào theo từng thời điểm khi tiếp xúc với nhiều đầu vào khác nhau.

     Bằng cách sử dụng khung TD-DFT, Elhanoty đã tìm thấy sự thống nhất giữa mô hình và dữ liệu thực nghiệm do ba hiệu ứng spin cạnh tranh trong hợp chất Heusler.

    Ryan giải thích: “Những gì ông ấy tìm thấy trong lý thuyết là các cú lật quay khá chiếm ưu thế trong khoảng thời gian đầu, và sau đó các chuyển chuyển spin trở nên chiếm ưu thế hơn”. “Sau đó, theo thời gian, nhiều hiệu ứng khử từ diễn ra và mẫu khử từ.”

      Hiện tượng lật spin xảy ra bên trong một phần tử trong mẫu khi các spin chuyển hướng từ trên xuống dưới và ngược lại. Ngược lại, sự chuyển spin xảy ra trong nhiều nguyên tố, trong trường hợp này là coban và mangan, khi chúng truyền spin giữa nhau, khiến mỗi vật liệu trở nên ít nhiều từ tính theo thời gian.

    Việc hiểu được những hiệu ứng nào chiếm ưu thế ở mức năng lượng và thời gian nào cho phép các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn cách thức điều khiển các spin để mang lại cho vật liệu những đặc tính điện từ và điện tử mạnh hơn.

     Ryan giải thích thêm: “Có khái niệm về điện tử học spin, sử dụng các thiết bị điện tử mà chúng ta hiện có và thay vì chỉ sử dụng điện tích của electron, chúng tôi cũng sử dụng spin của electron”. “Vì vậy, điện tử học spin cũng có thành phần từ tính. Lý do để sử dụng spin thay vì điện tích là vì nó có thể tạo ra các thiết bị có ít điện trở hơn và ít tỏa nhiệt hơn, giúp các thiết bị chạy nhanh hơn và hiệu quả hơn.”

     Từ công việc của họ với Elhanoty và các cộng tác viên khác của họ, nhóm JILA đã có được cái nhìn sâu sắc hơn về động lực học spin trong các hợp chất Heusler.

     Ryan nói: "Thật là bổ ích khi thấy sự phù hợp tốt như vậy giữa lý thuyết và thử nghiệm khi nó cũng đến từ sự hợp tác thực sự chặt chẽ và hiệu quả này."

     Các nhà nghiên cứu JILA hy vọng sẽ tiếp tục sự hợp tác này trong việc nghiên cứu các hợp chất khác để hiểu rõ hơn cách ánh sáng có thể được sử dụng để điều khiển các mô hình spin.