Các nhà nghiên cứu ở châu Âu vừa thành công trong việc chế tạo ra các nam châm phân tử có khả năng nhận lấy một hướng ưu tiên trên một bề mặt bằng vàng. Kết quả trên là một tiến bộ quan trọng đối với lĩnh vực điện tử học spin đang phôi thai – lĩnh vực trong đó các dụng cụ điện tử khai thác spin của một electron đồng thời với điện tích của nó. Những dụng cụ như vậy có sức thu hút lớn vì chúng có khả năng nhỏ hơn và hiệu quả năng lượng hơn so với các mạch điện tử truyền thống.

Các nam châm đơn phân tử là những chất liệu thuận từ có khả năng chuyển sự từ hóa của chúng giữa hai trạng thái, từ “spin lên” sang “spin xuống” chẳng hạn. Ở nhiệt độ thấp, trạng thái từ của các phân tử vẫn không đổi bất chấp sự có mặt của từ trường. Hiệu ứng bộ nhớ này có thể khai thác để chế tạo các dụng cụ lưu trữ thông tin mật độ cao dùng cho các ứng dụng điện toán.

Hồi năm ngoái, Roberta Sessoli thuộc trường Đại học Florence và các đồng nghiệp ở Modena và Paris đã chứng minh được rằng các đám gồm bốn nguyên tử sắt (Fe4) hợp nhất vào trong cấu trúc của một phân tử phức có thể duy trì bộ nhớ từ của chúng khi đính chúng bằng phương pháp hóa học lên trên một bề mặt vàng. Nay, cũng đội nghiên cứu vừa nói đã tiến thêm một bước nữa trong nghiên cứu của mình với việc thao tác hóa học trên những phân tử Fe4 này để tự định hướng chúng theo một chiều ưu tiên trên bề mặt vàng. Từ tính của các phân tử trên được nghiên cứu bằng ánh sáng synchrotron.

Sự chui hầm lượng tử cộng hưởng

Kết quả mới trên cho phép các nhà nghiên cứu lần đầu tiên quan sát sự chui hầm lượng tử cộng hưởng của sự từ hóa ở các nam châm đơn phân tử trên một bề mặt. Sự chui hầm lượng tử, một quá trình nhờ đó các hạt lượng tử có thể đi xuyên qua các rào cản năng lượng bình thường không thể vượt qua đối với các vật thể cổ điển, là một hiện tượng khá tinh vi. Nó có thể dễ dàng bị phá hỏng bởi các tác động bên ngoài – thí dụ, qua các mối nối cần thiết để kết nối các nam châm bằng phương pháp điện tử bên trong các dụng cụ thực tế.

“Thực tế chúng tôi quan sát thấy sự chui hầm lượng tử các nam châm phân tử đính với một bề mặt vàng chứng tỏ rằng các tương tác phân tử-bề mặt không gây hại cho một khía cạnh tinh vi như vậy của từ tính”, Sessoli nói.

Các nhà nghiên cứu đã liên kết bốn ion sắt đồng phẳng bằng cách thêm hai phân tử liên kết mới trích xuất từ trialcohol có dạng hình học thích hợp để liên kết các ion tại các đầu đối diện nhau của mặt phẳng sắt. Một sự sắp xếp như vậy có nghĩa là phân tử sắt đó có tính ổn định cao.

“Trialcohol một chuỗi béo kết thúc với một nhóm chứa sulphur, đó là thành phần trọng yếu trong phương pháp của chúng tôi”, Sessoli giải thích. “Thật ra, chúng tôi khai thác sự tương tự cấu trúc dễ thấy của các nguyên tử sulphur với vàng để neo bằng phương pháp hóa học các nam châm phân tử lên trên bề mặt vàng”.

Hiệu ứng bộ nhớ tốt hơn

Khi đó, đội nghiên cứu nhận thấy cách thức các nam châm phân tử tự định hướng chúng lên trên bề mặt vàng có thể điều khiển bằng cách thay đổi chiều dài và tính dẻo của chuỗi alkyl. Chẳng hạn, khi chiều dài chuỗi giảm từ 9 xuống còn 5 nguyên tử carbon, thì các phân tử buộc phải liên kết với bề mặt thông qua một cái “kẹp mỏ sấu” và do đó nhận lấy một sự sắp hàng ưu tiên. Khi các phân tử đã canh thẳng hàng, chúng biểu hiện các vòng từ trễ rộng hơn và có một tác dụng nhớ tốt hơn, với các dấu hiệu chui hầm lượng tử rõ rệt.

“Công trình của chúng tôi chứng tỏ rằng một phương pháp đa ngành, kết hợp hóa học tổng hợp, vật lí thực nghiệm và sự mô phỏng lí thuyết, là cần thiết đối với ngành khoa học nano tiến bộ”, Sessoli nói. “Mặc dù các ứng dụng cho công nghệ này sẽ không thể thấy trong tương lai gần vì nhiệt độ làm việc thấp của các nam châm đơn phân tử, nhưng loại nghiên cứu cơ bản này lát đường cho các công nghệ gốc spin trong tương lai”.

Công trình của các nhà khoa học công bố trên số ra tuần này của tạp chí Nature.