Phương pháp mới giúp điều khiển chiều từ trường của nam châm

Chỉ với một điện áp rất nhỏ, các nhà khoa học tại MIT đã phát triển một phương pháp mới giúp đổi chiều từ trường của nam châm. Phương pháp này giúp họ thành công đổi cực từ của một vật liệu sắt từ (ferrimagnetic) 180 độ.

Các mũi tên thể hiện sự từ hoá các mảng nguyên tử gadolinium (đỏ) và coban (xanh lam) trong một mạng lưới nguyên tử. Đặt một hiệu điện thế lên các điện cực ở trên cùng (các mảng màu vàng) giúp nạp hydro vào vật liệu từ tính, đổi độ lớn tương đối của từ độ bên dưới, gây đảo hướng từ trường tổng thể trong khu vực đó.

Khám phá này có thể mở ra một kỷ nguyên mới về sử dụng sắt từ và các thiết bị lưu trữ dữ liệu.

Các nhà khoa học đã phát triển hệ thống này sử dụng một màng phim làm từ vật liệu gọi là gadolinium cobalt. Hai nguyên tố gadoli và cô-ban trong hợp chất này tạo thành các mạng lưới nguyên tử lồng vào nhau, trong đó các nguyên tử gadoli có các trục từ xếp thẳng hàng theo cùng một hướng, còn các nguyên tử cô-ban có hướng ngược lại.

Sử dụng điện áp, các nhà khoa học phân tách các phân tử nước dọc theo bề mặt màng thành oxy và hydro. Oxy có thể được thoát ra ngoài trong khi các nguyên tử hoặc hạt nhân hydro thâm nhập sâu vào trong hợp chất gadolinium cobalt và làm thay đổi sự cân bằng của các hướng từ tính. Sự thay đổi này có thể làm thay đổi hướng từ trường 180 độ.

Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Manteo Huang cho biết, “Chúng tôi nhận thấy rằng, bằng cách nạp hydro vào cấu trúc này, chúng ta có thể giảm mômen từ của gadoli xuống rất nhiều. Mômen từ đo cường độ của từ trường được tạo ra bởi sự liên kết trục spin của nguyên tử”.

Giáo sư khoa học và công nghệ vật liệu của MIT, Geoffrey Beach cho biết, “Do chỉ cần thay đổi điện áp mà không cần dòng điện có thể sinh nhiệt và gây lãng phí năng lượng, quá trình này có hiệu quả năng lượng cao.”

“Quá trình bơm hạt nhân hydro vào vật liệu hóa ra rất lành tính… Do proton có kích thước rất nhỏ, nên khi bơm nhạt nhân hydro vào một chất khác không hề gây phá vỡ cấu trúc của vật liệu ban đầu. Sự ổn định này đã được chứng minh qua các bài kiểm tra khắc nghiệt. Vật liệu đã trải qua 10.000 lần đảo cực mà không có dấu hiệu xuống cấp,” Huang nói.

Vật liệu này cũng có nhiều tính năng có thể được đưa vào ứng dụng. Sự liên kết từ tính giữa các nguyên tử trong hợp chất gadollinium cobalt hoạt động khá giống với bàn đạp. Nếu một nguyên tử bắt đầu di chuyển và phá vỡ liên kết với các nguyên tử khác, lực bàn đạp này sẽ kéo nó lại. Và khi các vật chất này được kết nối bằng lực bàn đạp nói trên, chúng có xu hướng sản sinh ra các sóng chạy dọc theo vật liệu, còn gọi là sóng spin. Các dao động sóng spin được sinh ra từ sự từ hoá bên trong vật liệu, và có thể có tần số rất cao, lên tới mức terahertz. Tần số cao như vậy giúp vật liệu này có khả năng độc nhất tạo ra hoặc cảm nhận được bức xạ điện từ với tần số rất cao, điều mà không nhiều vật liệu có thể làm được.

Hiện tượng này có thể được ứng dụng vào các cảm biến một cách tương đối đơn giản trong vòng vài năm. Nhưng những ứng dụng phức tạp hơn như vật liệu và mạch logic sẽ mất nhiều thời gian hơn, một phần do ngành công nghệ sắt từ vẫn còn tương đối mới.

Theo Khoahocphattrien