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.”

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.