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....
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Phân tử bị kéo căng đưa spin vào electron Phân tử bị kéo căng đưa spin vào electronCác nhà vật lí ở Mĩ vừa phát minh ra một phương pháp đocác tính chất từ của một đơn phân tử khi nó bị kéo căng.Kĩ thuật trên mang lại một cách tiếp cận mới cho việcnghiên cứu hóa học lượng tử và spin của một electron ảnhhưởng như thế nào đến đường đi của nó qua những cấu trúcnhỏ xíu. Kĩ thuật trên một ngày nào đó còn có thể dùng chocác dụng cụ điện tử học spin, chúng sử dụng spin củaelectron để xử lí và lưu trữ thông tin.Kĩ thuật trên khảo sát một hiệu ứng đã được giải thích lầnđầu tiên hồi năm 1964 bởi nhà vật lí người Nhật Bản JunKondo. Ông đã chứng tỏ rằng, ở những nhiệt độ rất thấp,một electron dẫn trong không như vàng có thể ghép cặp vớimột electron có spin ngược hướng đi cùng với một chấttinh khiết từ tính (thí dụ như sắt). Mối liên hệ này lấy mấtkhả năng dẫn điện của electron, đem lại sự giảm độ dẫn củakim loại ở những điều kiện lạnh lẽo này.Giản đồ của một phân tử gốc cobalt đang bị kéo căng ragiữa hai điện cực vàng. (Ảnh: Dan Ralph)Các nhà vật lí đã quan sát thấy sự giảm ở nhiệt độ thấp nàycủa độ dẫn – gọi là “hiệu ứng Kondo” - ở một số vật liệunguyên khối. Tuy nhiên, có thể xảy ra hiện tượng rất kháckhi 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 loạisang điện cực kia qua chất tinh khiết từ tính cho thấy mộtcực đại nhọn trong độ dẫn của chấm hoặc của phân tử ởđiện áp bằng không – đặt tên là “cộng hưởng Kondo”.Nhảy qua rào cảnĐối với các phân tử hoặc chấm lượng tử phi từ tính, sự dẫnđiện bị chi phối bởi lực đẩy tĩnh điện giữa một electrontrong kim loại và một electron trong phân tử hay trongchấm đó. Mọi electron muốn nhảy từ một điện cực và sangmột phân tử hoặc chấm lượng tử phải vượt qua hàng ràonày. Tuy nhiên, trong một hệ từ tính, cũng chính sự tươngtác ghép cặp mà Kondo mô tả làm hạ thấp rào cản này, chophép một electron nhảy lên phân tử hoặc chấm – và sau đónhảy khỏi phía bên kia.Mặc dù hiệu ứng này đã được trông thấy ở các chấm vàphân tử có một electron từ tính (các hệ spin ½), nhưng việcnghiên cứu nó trong các hệ spin cao hơn có thể làm sáng tỏthêm về các electron dẫn hành xử như thế nào trong các vậtliệu từ tính. Nay, một đội đừng đầu là Dan Ralph tại Đạihọc Cornell đã lần đầu tiên nghiên cứu một cộng hưởngKondo trong một phân tử spin 1. Các nhà nghiên cứu cònchứng tỏ được rằng sự cộng hưởng đó có thể điều chỉnhbằng cách kéo căng phân tử ra dọc theo một hướngnhất định.Trạng thái bộ baTrong thí nghiệm trên, đội nghiên cứu sử dụng kĩ thuật in litô để trước tiên tạo ra một cầu nối bằng vàng chỉ dài 500nm 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 đơnphân tử, gồm một nguyên tử từ tính (cobalt) và sáu vòngpyridine, được thay vào chỗ của nó.Cobalt có hai electron từ tính tự sắp xếp chúng thành mộttrạng thái bộ ba – một tập hợp ba trạng thái lượng tử vớinăng lượng giống hệt nhau. Cả hai spin hướng cùng chiềunhau, mang lại cho cobalt spin tổng bằng 1. Khi mẫu đượclàm lạnh xuống khoảng 1,6 K, đội nghiên cứu để ý thấymột sự giảm mạnh ở điện trở của phân tử đó tại điện ápzero đặt vào – dấu hiệu của một cộng hưởng Kondo.Ralph và các đồng nghiệp sau đó đã kéo căng phân tử đó rađến 0,08 nm bằng cách uốn cong chất nền silicon. Họ thấycộng hưởng Kondo bị tách thành hai cực đại, mỗi cực đại ởmột phía của điện áp zero đặt vào. Theo Ralph, sự phântách này xảy ra vì việc kéo căng phân tử làm hỏng mất sựđối xứng lập phương của phân tử đó vốn là nguyên do chocác trạng thái bộ ba có năng lượng bằng nhau hết. Thay vàođó, một trạng thái giảm năng lượng và cỡ giảm liên quanđến cỡ của sự phân tách.Đội nghiên cứu đã xác nhận bản chất từ tính của sự phântách đó bằng cách lặp lại thí nghiệm trong một từ trườngngoài. 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 kéocăng, thì cỡ của sự phân tách thay đổi đáng kể khi cườngđộ trường biến thiên. Theo Ralph, hành vi này xác nhậnrằng họ đang quan sát thấy một cộng hưởng Kondo ở mộtphân tử spin 1.Ralph và các đồng nghiệp còn khảo sát sự dẫn điện ở điệnáp zero biến đổi như thế nào khi mẫu được làm ấm từ 1,6 Klên 30 K. Sự giảm độ dẫn được trông đợi cho một cộnghưởng Kondo spin 1.‘Thí nghiệm quan trọng’Pablo Jarillo-Herrero thuộc Viện Công nghệ Massachusettsmô tả công trình trên là “một thí nghiệm quan trọng” có thểdẫn đến các phép tính hóa lượng tử tốt hơn, cái mang lạicác trạng thái spin của một phân tử. Ông còn tin rằng côngtrình trên có mang lại sự phát triển của các bộ nhớ từ nhỏxíu lưu trữ thông tin dưới dạng trạng thái spin của phân tửđó. Công trình trên còn có thể đưa đến sự phát triển nhữngnguồn electron phân cực spin mới và các công tắc có thểmở/tắ ...