MỘT LOẠI NAM CHÂM MỚI HOẠT ĐỘNG Ở NHIỆT ĐỘ PHÒNG

Electron mang điện tích, nhưng cũng mang spin, một nam châm tí hon gắn sẵn hướng “lên” hoặc “xuống”. Spintronics (điện tử học spin) nhắm tới việc dùng spin đó để lưu trữ và xử lý thông tin. Những năm gần đây, các nhà vật lý đã tìm thấy những vật liệu từ có một tính chất nổi bật: chúng không có từ hóa tổng thể, thế nhưng năng lượng của các electron vẫn phụ thuộc vào spin của chúng, theo cách thay đổi tùy hướng chúng di chuyển. Sự “tách spin” này không dựa vào các hiệu ứng tương đối tính, nên nó lớn.

Trong một số vật liệu như vậy, gọi là altermagnet (vật liệu từ luân phiên), hình mẫu là đối xứng: một electron đi theo một hướng và một electron đi theo hướng ngược lại thấy cùng một spin. Trong nam châm sóng p, điều ngược lại xảy ra: đảo hướng chuyển động thì spin cũng đảo. Cho đến nay, các nam châm sóng p được báo cáo chỉ hoạt động dưới nhiệt độ nitơ lỏng.

Một đường xoắn ốc ẩn trong một tinh thể quen thuộc

Kaiwen Shen, Xianzhe Chen, Libor Šmejkal và các đồng nghiệp tại Đại học Phúc Đán ở Thượng Hải, hai Viện Max Planck ở Dresden, và các cơ sở khác ở Trung Quốc và Cộng hòa Séc, đã chuyển sự chú ý sang bismut ferit (BiFeO₃). Đây là một trong những vật liệu “đa ferro” (multiferroic) được nghiên cứu kỹ nhất, tức vật liệu vừa có từ tính vừa là sắt điện — chúng mang một độ phân cực điện sẵn có. Nó giữ trật tự từ tới khoảng 640 kelvin (cao hơn nhiều so với nhiệt độ phòng) và giữ tính sắt điện tới 1.100 kelvin.

Bên trong nó, các mômen từ của nguyên tử sắt không thẳng hàng: chúng xoay từng bước dọc theo một đường xoắn ốc, gọi là cycloid. Nhóm chỉ ra rằng riêng đường xoắn ốc này đã tạo ra từ tính sóng p — một cơ chế mà họ mô tả là trước đây đã bị bỏ qua.

Lý thuyết, rồi đến laser

• Các tính toán về electron của tinh thể cho thấy một hình mẫu spin sóng p rõ ràng, với độ tách spin khoảng 100 milielectronvôn. Thêm các hiệu ứng tương đối tính hầu như không làm nó thay đổi: hiệu ứng đến từ chính trật tự từ.
• Khi đường xoắn ốc xoắn theo chiều ngược lại — xoắn trái thay vì xoắn phải — hình mẫu spin đảo ngược.
• Trong phòng thí nghiệm, họ nuôi một màng bismut ferit dày 100 nanomét và chụp ảnh đường xoắn ốc từ của nó bằng một cảm biến lượng tử đầu kim cương.
• Để đọc spin, họ chiếu một laser phân cực tròn lên màng. Ánh sáng xoay theo một chiều kích thích electron có một spin nhiều hơn spin kia, tạo ra một dòng điện nhỏ mà dấu của nó theo hướng spin. Khi họ xoay mẫu, dòng điện đạt cực đại đúng theo hướng được dự đoán cho phân cực spin sóng p. Tất cả các phép đo này đều được thực hiện ở nhiệt độ phòng, ngoài không khí.

Đảo spin bằng điện áp

Đặc điểm then chốt: trong bismut ferit, chiều xoắn của đường xoắn ốc gắn chặt với độ phân cực điện. Đảo cái này, cái kia đi theo.

Nhóm áp các xung điện khoảng 300 kilôvôn mỗi xentimét lên màng. Độ phân cực xoay, đường xoắn ốc đổi chiều xoắn, và dòng điện do laser gây ra đổi dấu: dương sau một xung, âm sau xung ngược lại. Khi vẽ theo điện trường áp vào, dòng điện tạo thành một vòng trễ (hysteresis loop) khớp với sự chuyển mạch phân cực của tinh thể. Thay đổi này có thể đảo ngược và được giữ nguyên sau xung.

Các xung điện đảo độ phân cực và chiều xoắn của đường xoắn ốc (a); thiết bị (b); dòng spin đổi dấu (c) và đi theo một vòng trễ theo điện trường (d). — Hình 3, Shen et al. (2026), arXiv:2610.12892.

Từ cái lạnh đến mặt bàn

Các tác giả trình bày đây là một nam châm có độ tách spin mang tính chẵn lẻ lẻ (odd parity) được điều khiển bằng điện áp ở nhiệt độ phòng, và xem đó là một con đường hướng tới các thiết bị spintronics tiêu thụ ít năng lượng. Các kết quả đến từ màng mỏng trong phòng thí nghiệm; chưa có thiết bị nào được chứng minh ngoài việc chuyển mạch tín hiệu đo được.