Tia laser xanh lam giải đáp bí ẩn vật lý 150 năm

Trong hơn một thế kỷ, các nhà vật lý học đã biết rằng có sự tồn tại của một tín hiệu từ tính kỳ lạ tồn tại trong những kim loại thông dụng như đồng và vàng, nhưng họ không thể quan sát được nó. Giờ đây, chỉ với tia laser xanh lam và một cải tiến khéo léo về kỹ thuật xử lý, các nhà khoa học đã phát hiện ra hiện tượng khó nắm bắt này, được gọi là hiệu ứng Hall quang học.

Đột phá này không chỉ tiết lộ những hành vi từ tính ẩn trong những loại vật liệu từng được coi là "im lặng" về mặt từ tính, mà còn mở ra một chân trời mới trong vật lý spin, công nghệ lượng tử và thiết kế điện tử—mà không cần dây dẫn hay điều kiện cực đoan.

Ánh sáng làm lộ tín hiệu ẩn

Một nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế vừa tìm ra phương pháp đột phá để phát hiện tín hiệu từ tính cực nhỏ trong các kim loại phổ biến như đồng, vàng và nhôm, chỉ bằng ánh sáng và một kỹ thuật quang học tinh chỉnh. Phát hiện này có thể dẫn đến những bước tiến lớn trong công nghệ, từ điện thoại thông minh đến máy tính lượng tử.

Về lý thuyết, dòng điện bị lệch khi tiếp xúc với từ trường. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng Hall, và được ghi nhận rõ ràng trong các vật liệu từ tính như sắt. Tuy nhiên, ở một số kim loại không có từ tính tự nhiên như đồng và vàng, hiệu ứng này yếu và khó quan sát hơn nhiều.

Một hiện tượng tương tự nhưng ít được biết đến, gọi là hiệu ứng Hall quang học, được cho là ẩn chứa thông tin quan trọng về cách electron di chuyển dưới tác động của cả ánh sáng và từ trường. Dù đã được hiểu về mặt lý thuyết trong hơn một thế kỷ, hiệu ứng này quá tinh vi để có thể phát hiện bằng ánh sáng khả kiến. Các chuyên gia tin rằng nó tồn tại, nhưng chưa ai có phương pháp đủ nhạy để xác nhận.

Nghiên cứu do tiến sĩ Nadav Am Shalom và Giáo sư Amir Capua đến từ Viện Kỹ thuật Điện và Vật lý Ứng dụng tại Đại học Hebrew (Israel) dẫn đầu, hợp tác với Giáo sư Binghai Yan từ Viện Khoa học Weizmann, Đại học Pennsylvania State và Giáo sư Igor Rozhansky từ Đại học Manchester (Anh Quốc), tập trung vào một thách thức hóc búa trong vật lý: làm thế nào để phát hiện các hiệu ứng từ tính cực nhỏ trong vật liệu không có từ tính.

"Bạn có thể nghĩ các kim loại như đồng và vàng là 'im lặng' về mặt từ tính. Nhưng thực tế, trong điều kiện phù hợp, chúng vẫn phản ứng với từ trường—chỉ là theo cách cực kỳ tinh tế", Giáo sư Capua giải thích.

Thách thức là làm sao phát hiện được những hiệu ứng nhỏ này, đặc biệt khi sử dụng ánh sáng trong dải quang phổ khả kiến, nơi nguồn laser dễ dàng có sẵn. Cho đến nay, tín hiệu này vẫn quá yếu để quan sát.

Để giải quyết vấn đề, các nhà nghiên cứu đã nâng cấp một phương pháp gọi là hiệu ứng Kerr từ-quang (MOKE), sử dụng laser để đo cách từ tính làm thay đổi sự phản xạ ánh sáng. Hãy tưởng tượng nó giống như dùng một đèn pin cực mạnh để bắt được ánh lấp lánh mờ nhạt nhất từ một bề mặt trong bóng tối.

Bằng cách kết hợp tia laser xanh lam 440 nanomet với điều chế biên độ lớn của từ trường ngoài, họ đã tăng đáng kể độ nhạy của kỹ thuật này. Kết quả là có thể bắt được "tiếng vọng" từ tính trong các kim loại không từ tính như đồng, vàng, nhôm, tantali và bạch kim—một kỳ công trước đây được coi là gần như không thể.

Hiệu ứng Hall là một công cụ quan trọng trong ngành công nghiệp bán dẫn và nghiên cứu vật liệu ở quy mô nguyên tử: giúp các nhà khoa học xác định số lượng electron trong một kim loại. Nhưng trong quá khứ, việc đo hiệu ứng Hall đòi hỏi phải gắn các dây dẫn nhỏ vào thiết bị, một quá trình tốn thời gian và phức tạp, đặc biệt khi làm việc với các linh kiện cỡ nanomet. Phương pháp mới này đơn giản hơn nhiều: chỉ cần chiếu laser vào thiết bị điện, không cần dây dẫn.

Đào sâu hơn, nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng thứ tưởng chừng là "nhiễu" ngẫu nhiên trong tín hiệu thực chất không hề ngẫu nhiên. Thay vào đó, nó tuân theo một quy luật rõ ràng liên quan đến một tính chất lượng tử gọi là tương tác spin-quỹ đạo, kết nối cách electron di chuyển với cách chúng quay—một hành vi quan trọng trong vật lý hiện đại.

Mối liên hệ này cũng ảnh hưởng đến cách năng lượng từ tính tiêu tán trong vật liệu. Những hiểu biết này có ý nghĩa trực tiếp đối với thiết kế bộ nhớ từ, thiết bị spintronic và cả hệ thống lượng tử.

Cánh cửa mới vào thế giới spin và từ tính

Kỹ thuật này cung cấp một công cụ không xâm lấn, cực kỳ nhạy để khám phá từ tính trong kim loại, mà không cần nam châm khổng lồ hay điều kiện nhiệt độ thấp. Sự đơn giản và độ chính xác của nó có thể giúp các kỹ sư chế tạo bộ xử lý nhanh hơn, hệ thống tiết kiệm năng lượng hơn và cảm biến với độ chính xác chưa từng có.

"Nghiên cứu này biến một bài toán khoa học gần 150 năm tuổi thành một cơ hội mới," Giáo sư Capua nói.

Thú vị là, ngay cả Edwin Hall, một trong những nhà khoa học vĩ đại nhất, người đã phát hiện ra hiệu ứng Hall, cũng từng cố gắng đo hiệu ứng của mình bằng một chùm ánh sáng nhưng không thành công.