Phân tử bị kéo căng đưa spin vào electron docx

Phân tử bị kéo căng đưa spin vào electron
Các nhà vật lí ở Mĩ vừa phát minh ra một phương pháp đo
các tính chất từ của một đơn phân tử khi nó bị kéo căng.
Kĩ thuật trên mang lại một cách tiếp cận mới cho việc
nghiên cứu hóa học lượng tử và spin của một electron ảnh
hưởng như thế nào đến đường đi của nó qua những cấu trúc
nhỏ xíu. Kĩ thuật trên một ngày nào đó còn có thể dùng cho
các dụng cụ điện tử học spin, chúng sử dụng spin của
electron để xử lí và lưu trữ thông tin.



Kĩ thuật trên khảo sát một hiệu ứng đã được giải thích lần
đầu tiên hồi năm 1964 bởi nhà vật lí người Nhật Bản Jun
Kondo. Ông đã chứng tỏ rằng, ở những nhiệt độ rất thấp,
một electron dẫn trong không như vàng có thể ghép cặp với
một electron có spin ngược hướng đi cùng với một chất
tinh khiết từ tính (thí dụ như sắt). Mối liên hệ này lấy mất
khả năng dẫn điện của electron, đem lại sự giảm độ dẫn của
kim loại ở những điều kiện lạnh lẽo này.

Giản đồ của một phân tử gốc cobalt đang bị kéo căng ra
giữa hai điện cực vàng. (Ảnh: Dan Ralph)

Các nhà vật lí đã quan sát thấy sự giảm ở nhiệt độ thấp này
của độ dẫn – gọi là “hiệu ứng Kondo” - ở một số vật liệu
nguyên khối. Tuy nhiên, có thể xảy ra hiện tượng rất khác
khi các electron đương đầu với một chất tinh khiết từ tính,
thí dụ một phân tử từ tính hoặc một chấm lượng tử từ tính.
Các nghiên cứu về electron chạy từ một điện cực kim loại
sang điện cực kia qua chất tinh khiết từ tính cho thấy một

cực đại nhọn trong độ dẫn của chấm hoặc của phân tử ở
điện áp bằng không – đặt tên là “cộng hưởng Kondo”.
Nhảy qua rào cản

Đối với các phân tử hoặc chấm lượng tử phi từ tính, sự dẫn
điện bị chi phối bởi lực đẩy tĩnh điện giữa một electron
trong kim loại và một electron trong phân tử hay trong
chấm đó. Mọi electron muốn nhảy từ một điện cực và sang
một phân tử hoặc chấm lượng tử phải vượt qua hàng rào
này. Tuy nhiên, trong một hệ từ tính, cũng chính sự tương
tác ghép cặp mà Kondo mô tả làm hạ thấp rào cản này, cho
phép một electron nhảy lên phân tử hoặc chấm – và sau đó
nhảy khỏi phía bên kia.

Mặc dù hiệu ứng này đã được trông thấy ở các chấm và
phân tử có một electron từ tính (các hệ spin ½), nhưng việc
nghiên cứu nó trong các hệ spin cao hơn có thể làm sáng tỏ
thêm về các electron dẫn hành xử như thế nào trong các vật
liệu từ tính. Nay, một đội đừng đầu là Dan Ralph tại Đại
học Cornell đã lần đầu tiên nghiên cứu một cộng hưởng
Kondo trong một phân tử spin 1. Các nhà nghiên cứu còn
chứng tỏ được rằng sự cộng hưởng đó có thể điều chỉnh
bằng cách kéo căng phân tử ra dọc theo một hướng
nhất định.
Trạng thái bộ ba

Trong thí nghiệm trên, đội nghiên cứu sử dụng kĩ thuật in li
tô để trước tiên tạo ra một cầu nối bằng vàng chỉ dài 500
nm và dày và rộng vài chục nm trên một chất nền silicon.
Một đoạn ở chính giữa của cầu nối bị lấy bỏ và một đơn

phân tử, gồm một nguyên tử từ tính (cobalt) và sáu vòng
pyridine, được thay vào chỗ của nó.

Cobalt có hai electron từ tính tự sắp xếp chúng thành một
trạng thái bộ ba – một tập hợp ba trạng thái lượng tử với
năng lượng giống hệt nhau. Cả hai spin hướng cùng chiều
nhau, mang lại cho cobalt spin tổng bằng 1. Khi mẫu được
làm lạnh xuống khoảng 1,6 K, đội nghiên cứu để ý thấy
một sự giảm mạnh ở điện trở của phân tử đó tại điện áp
zero đặt vào – dấu hiệu của một cộng hưởng Kondo.
Ralph và các đồng nghiệp sau đó đã kéo căng phân tử đó ra
đến 0,08 nm bằng cách uốn cong chất nền silicon. Họ thấy
cộng hưởng Kondo bị tách thành hai cực đại, mỗi cực đại ở
một phía của điện áp zero đặt vào. Theo Ralph, sự phân
tách này xảy ra vì việc kéo căng phân tử làm hỏng mất sự
đối xứng lập phương của phân tử đó vốn là nguyên do cho
các trạng thái bộ ba có năng lượng bằng nhau hết. Thay vào
đó, một trạng thái giảm năng lượng và cỡ giảm liên quan
đến cỡ của sự phân tách.

Đội nghiên cứu đã xác nhận bản chất từ tính của sự phân
tách đó bằng cách lặp lại thí nghiệm trong một từ trường
ngoài. Khi thiết lập trường vuông góc với hướng kéo căng,
thì sự phân tách lớn dần lên khi cường độ trường tăng lên.
Tuy nhiên, khi trường đặt vào song song với hướng kéo
căng, thì cỡ của sự phân tách thay đổi đáng kể khi cường
độ trường biến thiên. Theo Ralph, hành vi này xác nhận
rằng họ đang quan sát thấy một cộng hưởng Kondo ở một
phân tử spin 1.

Ralph và các đồng nghiệp còn khảo sát sự dẫn điện ở điện
áp zero biến đổi như thế nào khi mẫu được làm ấm từ 1,6 K
lên 30 K. Sự giảm độ dẫn được trông đợi cho một cộng
hưởng Kondo spin 1.
‘Thí nghiệm quan trọng’

Pablo Jarillo-Herrero thuộc Viện Công nghệ Massachusetts
mô tả công trình trên là “một thí nghiệm quan trọng” có thể
dẫn đến các phép tính hóa lượng tử tốt hơn, cái mang lại
các trạng thái spin của một phân tử. Ông còn tin rằng công
trình trên có mang lại sự phát triển của các bộ nhớ từ nhỏ
xíu lưu trữ thông tin dưới dạng trạng thái spin của phân tử
đó. Công trình trên còn có thể đưa đến sự phát triển những
nguồn electron phân cực spin mới và các công tắc có thể
mở/tắt dòng spin.

Ralph cho biết đội của ông hiện đang cố gắng lặp lại thí
nghiệm trên sử dụng các điện cực làm bằng một kim loại từ
tính thay cho vàng. Điều này sẽ cho phép các electron phân
cực spin được đưa vào trong phân tử - đó có thể là bước
tiến quan trọng đầu tiên hướng đến chỗ chế tạo các dụng cụ
“điện tử học spin”.
* Trần Duy Khắc (theo physicsworld.com)