Một nhóm các nhà nghiên cứu đa quốc gia, do một nhà vật lý của Đại học Thành phố Hồng Kông (CityU) đồng dẫn đầu, đã phát hiện ra rằng một tinh thể kim loại mới thể hiện hành vi điện tử bất thường trên bề mặt của nó, nhờ vào cấu trúc nguyên tử độc đáo của tinh thể. Phát hiện của họ mở ra khả năng sử dụng vật liệu này để phát triển các thiết bị vi điện tử nhanh hơn và nhỏ hơn.
>> Tham khảo: Trí tuệ nhân tạo giúp tăng tốc nghiên cứu vật liệu.
Vật liệu được nghiên cứu là một hợp chất kim loại “kagome” được phát hiện gần đây bao gồm ba nguyên tố: gadolinium (Gd), vanadi (V) và thiếc (Sn). Nó được phân loại là vật liệu “1-6-6” để biểu thị tỷ lệ của ba nguyên tố kim loại có trong tinh thể GdV6Sn6. Các nguyên tử được sắp xếp theo một mô hình hình học phức tạp nhưng đều đặn, dẫn đến các đặc điểm bề mặt phi thường.
Thông thường, các electron tích điện âm trong nguyên tử di chuyển trong các dải năng lượng riêng biệt ở những khoảng cách khác nhau so với các hạt nhân tích điện dương.
Tuy nhiên, trên bề mặt của GdV6Sn6, các lớp trên cùng của các nguyên tử lộ ra được dự đoán sẽ tương tác với nhau và làm biến dạng cấu trúc liên kết, nghĩa là hình dạng và vị trí, của các dải năng lượng.
>> Tham khảo: Các quy trình mới dẫn đến hiệu suất pin sạc tốt hơn.
Về lý thuyết, sự biến dạng này có thể tạo ra một tính chất điện tử mới và ổn định mà cho đến nay vẫn chưa được phát hiện rõ ràng trong GdV6Sn6 hoặc bất kỳ kim loại kagome nào khác.
Quan sát đầu tiên về hành vi điện tử bề mặt bất thường trong kim loại kagome
“Nhóm của chúng tôi lần đầu tiên quan sát rõ ràng rằng kim loại kagome có thể biểu hiện các cấu trúc dải năng lượng điện tử đã thay đổi thuộc loại được gọi là ‘trạng thái bề mặt Dirac không tầm thường về mặt tô pô’,” Tiến sĩ Ma Junzhang, Trợ lý Giáo sư tại Khoa Vật lý cho biết TPU.
“Do spin và điện tích nội tại của chúng, các electron tạo ra từ trường của riêng chúng và hoạt động giống như những con quay hồi chuyển nhỏ có cả chuyển động quay và nghiêng theo một góc hướng theo một hướng nhất định.
Chúng tôi đã chứng minh rằng trong GdV6Sn6, các electron bề mặt trở nên sắp xếp lại hoặc ‘spin- phân cực’, và độ nghiêng của chúng tự định hướng lại xung quanh một trục chung vuông góc với bề mặt.”
>> Tham khảo: Bão nhiệt đới đóng vai trò là ‘máy bơm nhiệt khổng lồ’ cung cấp nhiệt độ cực cao.
Định hướng có thứ tự của các electron xung quanh một trục chung là “đối cực spin” của chúng, có thể theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ.
Quan trọng hơn, nhóm nghiên cứu đã có thể đảo ngược thành công tính đối xứng spin bằng cách thực hiện một biến đổi vật lý đơn giản trên bề mặt tinh thể.
Tiến sĩ Ma cho biết thêm: “Bởi vì chúng tôi nhận thấy rằng tính đối nghịch spin của các electron phân cực spin có thể dễ dàng đảo ngược, nên vật liệu của chúng tôi có tiềm năng ứng dụng rất lớn trong các bóng bán dẫn thế hệ tiếp theo trong lĩnh vực điện tử học spin”.
Nghiên cứu, được công bố trên tạp chí Science Advances vào ngày 21 tháng 9 năm 2022, được thúc đẩy bởi những dự đoán lý thuyết về cấu trúc dải điện tử bề mặt mới sau khi xem xét các tính năng đặc biệt của tinh thể GdV6Sn6 kagome.
Ví dụ, các lớp của các tiểu đơn vị V3Sn lặp lại được xếp chồng lên nhau giữa các lớp xen kẽ của Sn và GdSn2. Hơn nữa, nhiều tiểu đơn vị V3Sn được sắp xếp về mặt hình học trong một “lớp kagome”, có kiểu lặp lại gồm sáu hình tam giác đều bao quanh một hình lục giác giống như mạng kagome được thấy trong nghề đan rổ tre của Nhật Bản. Cuối cùng, lớp kagome V3Sn không có từ tính, trong khi lớp GdSn2 có từ tính.
>> Tham khảo: Sợi được sản xuất từ vi sinh vật: Mạnh hơn thép, cứng hơn Kevlar.
Đầu tiên, các nhà nghiên cứu tạo ra tinh thể GdV6Sn6 bằng cách nung nóng các kim loại Gd, V và Sn rồi làm lạnh từ từ sản phẩm.
Sau đó, sau khi xác nhận thành phần hóa học và cấu trúc bằng nhiễu xạ tia X đơn tinh thể, họ tách một tinh thể qua các lớp xếp chồng lên nhau và phân tích bề mặt tiếp xúc bằng quang phổ phát xạ phân giải góc, hoặc ARPES.
Kết quả tiết lộ rằng bề mặt bị cắt thực sự sở hữu các cấu trúc dải năng lượng được định hình lại, và phân tích sâu hơn đã chứng minh đặc tính quay theo chiều kim đồng hồ.
Cuối cùng, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng các dải năng lượng bề mặt có thể bị bẻ cong đáng kể bằng cách phủ lên bề mặt các nguyên tử kali, trong một quá trình được gọi là pha tạp electron. Kết quả là, độ chirality spin của electron chuyển từ theo chiều kim đồng hồ sang ngược chiều kim đồng hồ với mức độ pha tạp tăng dần.
Các ứng dụng tiềm năng trong việc cải thiện truyền thông tin và hơn thế nữa
Khả năng của các nhà nghiên cứu trong việc đảo ngược một cách có chủ ý đối với spin đối xứng của các electron bề mặt trên tinh thể GdV6Sn6 làm cho nó trở thành vật liệu ứng cử đầy hứa hẹn cho nhiều ứng dụng điện tử thực tế.
>> Tham khảo: Sử dụng men để tạo ra các quy trình hóa dầu thay thế.
“Trong tương lai, chúng tôi có thể áp dụng một điện áp cục bộ, hay ‘cổng’ tĩnh điện, để điều khiển hoặc điều chỉnh trực tiếp cấu trúc dải điện tử và do đó thay thế đối xứng spin điện tử trên bề mặt của các kim loại 1-6-6 kagome,” Tiến sĩ Ma nói.
“Kiểm soát hướng phân cực spin của các electron là một giải pháp thay thế hấp dẫn đối với mã hóa kỹ thuật số nhị phân truyền thống dựa trên sự hiện diện hoặc vắng mặt của điện tích, quá trình này tương đối chậm và có thể dẫn đến các vấn đề như làm nóng thiết bị.
Công nghệ của chúng tôi có thể tăng hiệu quả đáng kể trong truyền thông tin kỹ thuật số, ít sinh nhiệt hơn và cuối cùng có thể được khai thác trong điện toán lượng tử khi kết hợp với các chất siêu dẫn.”
Các tác giả đầu tiên của nghiên cứu là Tiến sĩ Hu Yong từ Viện Paul Scherrer (PSI), Thụy Sĩ và Tiến sĩ Wu Xianxin từ Viện Khoa học Trung Quốc, Bắc Kinh.
Các tác giả tương ứng là Tiến sĩ Hu, Tiến sĩ Ma từ CityU và Giáo sư Shi Ming từ PSI. Các cộng tác viên bao gồm Giáo sư Xie Weiwei từ Đại học Rutgers, Hoa Kỳ, người đã cung cấp các mẫu và Giáo sư Andreas Schnyder từ Viện Max Planck, Đức.
>> Tham khảo: Nước rất quan trọng để thành công trong giảm biến đổi khí hậu.
Trong công trình này, Tiến sĩ Ma được tài trợ bởi CityU, Quỹ khoa học tự nhiên quốc gia của Trung Quốc và Quỹ nghiên cứu cơ bản ứng dụng và cơ bản Quảng Đông.
Các cộng tác viên khác được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia Thụy Sĩ, Hợp tác Khoa học và Công nghệ Trung-Thụy Sĩ, Quỹ Khoa học Tự nhiên Quốc gia Trung Quốc và Chương trình Khoa học Năng lượng Cơ bản của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
