Phát hiện dạng nam châm mới ẩn trong hợp chất của Uranium

.

USb2, hợp chất của urani và antimon, có chứa một loại nam châm ở dạng singlet-based (mức đơn trong phổ học) với khả năng tạo từ tính hoàn toàn khác so với bất cứ loại nam châm nào từng được biết tới.

Về mặt lý thuyết, các hạt electron (mang điện âm) có thể tạo ra từ trường nhỏ của riêng chúng, bao gồm cực “bắc” và cực “nam” - hệ quả của một thuộc tính cơ học lượng tử gọi là “spin”. Đối với hầu hết các vật chất, những trường này tỏa đi theo các hướng ngẫu nhiên và triệt tiêu lẫn nhau (đây cũng là lý do tại sao cơ thể người đã không trở thành một khối nam châm khổng lồ). Nhưng trong một số vật liệu nhất định, những trường này lại thẳng hàng với nhau và tạo nên một từ trưởng đủ mạnh để có thể làm dịch chuyển một chùm hạt sắt xung quanh, hay khiến cho kim la bàn chỉ về hướng bắc. Gần như tất cả mọi loại nam châm được biết đến trong vũ trụ đều hoạt động theo nguyên lý này, từ những bộ phận trên tủ lạnh, máy chụp cộng hưởng cắt lớp (MRI) cho đến cả từ trường của Trái Đất.

Các hạt mạt sắt sắp xếp thành cụm xung quanh nam châm hình tròn và từ trường của nó. Ảnh: Lawrence Lawry/Getty Images.

Các hạt mạt sắt sắp xếp thành từng cụm xung quanh nam châm hình tròn và từ trường của nó. Ảnh: Lawrence Lawry/Getty Images.

Tuy nhiên, loại nam châm singlet-based mới được phát hiện lại có một cơ chế tạo từ hoàn toàn khác biệt. Đó là, các electron bên trong USb2, mặc dù không hề có xu hướng phát từ trường theo cùng một hướng, cho nên không thể tạo thành từ tính thông qua sự kết hợp của cường độ từ trường song lại có thể kết hợp với nhau để tạo thành những “spin exciton” (vật chất trong cơ học lượng tử). Về mặt đặc tính, spin exciton không hề giống với các hạt thông thường như electron, proton, neutron, photon, … mà chúng ta vẫn thường được học trong chương trình lý – hóa phổ thông; thay vào đó, chúng lại chính là các quasiparticles tức giả hạt (không phải các hạt vật chất rời rạc trong vũ trụ nhưng lại hoạt động gần giống như vậy theo cách rất kỳ lạ). Ngoài ra, spin exciton cũng thường xuất hiện sau tương tác giữa các chùm electron và đồng thời còn kéo theo sự hình thành của một từ trường khác.

Theo lý giải của nhóm tác giả, giới vật lý từ lâu đã nghi ngờ về khả năng các exciton tụ lại với chính từ trường của chúng theo cùng một hướng – hiệu ứng tạo từ tính dạng “singlet” (đơn), hiện tượng đã từng được chứng minh là chỉ tồn tại mong manh, chớp nhoáng ở điều kiện nhiệt độ cực lạnh (như trong phòng thí nghiệm) mà tại đó, nhiều tính chất kỳ lạ của cơ học lượng tử mới có thể được biểu hiện rõ rệt. Và đến nay, các nhà vật lý cũng lần đầu tiên chỉ ra được, loại nam châm này cũng có thể tồn tại ở bên ngoài môi trường siêu lạnh và theo cách khá ổn định.

Trong bài báo công bố trên Tạp chí Nature Communications hôm 7/2/2019, các tác giả viết rằng từ trường bên trong USb2 được hình thành trong nháy mắt và cũng biến mất nhanh chóng gần như vậy. Ở điều kiện bình thường, các mô-men từ (magnetic moments) trong một thanh nam châm sẽ dần trở nên thẳng hàng và không có biểu hiện chuyển đổi rõ nét giữa các trạng thái từ hóa (magnetized) với không bị từ hóa (un-magnetized). Còn trong một nam châm singlet based, sự chuyển pha giữa các trạng thái sẽ diễn ra rõ hơn rất nhiều. Bởi vì spin exciton vốn là các vật thể tạm thời, cho nên chúng chỉ có thể trở nên ổn định khi tụ lại với nhau và sắp xếp thành một tầng khi hình thành nhiều cụm. Giống như hiệu ứng đổ domino, các exciton xoay tròn sẽ nhanh chóng lấp đầy toàn bộ hợp chất rồi đột ngột liên kết với nhau. Đó chính là cơ chế tạo thành loại từ tính đặc biệt trên USb2.

Trong nam châm singlet-based, từ trường được tạo thành không phải nhờ sự thẳng hàng đột ngột của các từ trường con, mà là bởi sự xuất hiện của một loại từ trường khác tồn tại ở giữa các hạt vật chất hiện hữu. Ảnh: Lin Miao, NYU

Trong nam châm singlet-based, từ trường được tạo thành không phải nhờ sự thẳng hàng đột ngột của các từ trường con, mà là bởi sự xuất hiện của một loại từ trường khác tồn tại ngay giữa các hạt vật chất hiện hữu. Ảnh: Lin Miao, NYU"s Department of Physics.

Ưu điểm của loại nam châm này, cũng theo tuyên bố của các tác giả, đó là nó có thể dễ dàng chuyển đổi giữa các trạng thái từ hóa và không bị từ hóa với những nam châm bình thường. Về mặt ứng dụng, nếu như các ổ cứng máy tính (dạng cơ) phải dựa vào hoạt động chuyển đổi nam châm qua lại để lưu trữ thông tin thì một ngày nào đó, có thể những thiết bị làm từ nam châm singlet-based sẽ mang lại hiệu suất tốt hơn rất nhiều.

Nguồn: https://www.livescience.com/64729-new-uranium-singlet-magnet.html

Nguồn: khoahocphattrien.vn