Chưa đầy một thập kỷ trước, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một trạng thái vật chất kỳ lạ, nơi các electron trong một hợp chất cụ thể cư xử theo hai cách hoàn toàn trái ngược: một phần trật tự tuyệt đối, phần còn lại hỗn loạn hoàn toàn. Trạng thái này được gọi là "nửa lửa, nửa băng" (half fire, half ice).
Giờ đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra điều ngược lại: một trạng thái "băng – lửa đảo ngược", xuất hiện trong những điều kiện cực kỳ đặc biệt.
Trạng thái nghịch đảo trong vật liệu từ tính đặc biệt
Khám phá mới này được thực hiện trên vật liệu từ tính Sr₃CuIrO₆ — một hợp chất chứa strontium, đồng, iridi và oxy. Năm 2016, các nhà nghiên cứu Alexei Tsvelik và Weiguo Yin từ Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (Mỹ) đã nghiên cứu hợp chất này và lần đầu phát hiện trạng thái "nửa lửa, nửa băng" khi thay đổi nhiệt độ và áp dụng từ trường bên ngoài.
Ở trạng thái đó, các electron tại vị trí nguyên tử đồng (Cu) có spin hỗn loạn hoàn toàn – giống như một đám lửa dao động không kiểm soát – trong khi các spin tại vị trí iridi (Ir) lại sắp xếp trật tự – giống như băng giá tĩnh lặng.
Tuy nhiên, với khám phá mới nhất, nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng ở một điều kiện cực kỳ cụ thể, trạng thái này bị đảo ngược hoàn toàn: spin tại nguyên tử đồng trở nên "đóng băng" có trật tự, trong khi tại nguyên tử iridi lại trở nên hỗn loạn – nóng bỏng và rối loạn.
Điều đặc biệt là quá trình chuyển pha này xảy ra cực kỳ đột ngột, điều mà các nhà khoa học cho rằng có thể mang lại ứng dụng rất thú vị trong tương lai.
Tiềm năng cho điện toán lượng tử và spintronics
"Việc phát hiện các trạng thái mới với các thuộc tính vật lý kỳ lạ – và khả năng hiểu, điều khiển quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái đó – là một trong những vấn đề trung tâm của vật lý vật chất ngưng tụ và khoa học vật liệu," tiến sĩ Yin chia sẻ.
"Giải quyết các vấn đề này có thể mở đường cho những bước tiến lớn trong các công nghệ như điện toán lượng tử và spintronics," ông nói thêm.
Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cũng cho rằng hiện tượng chuyển pha sắc nét giữa "lửa" và "băng" có thể được khai thác cho công nghệ lưu trữ lượng tử: thay vì chỉ có 0 và 1 như nhị phân thông thường, người ta có thể dùng chính các trạng thái "fire/ice" hoặc "ice/fire" để mã hóa thông tin.
Thậm chí, hiện tượng này còn mở ra triển vọng trong các công nghệ làm lạnh tiên tiến, nơi kiểm soát nhiệt độ ở cấp độ lượng tử là cực kỳ quan trọng.
"Tiếp theo, chúng tôi sẽ khám phá hiện tượng băng-lửa này trong các hệ spin lượng tử, có thêm sự tương tác của mạng tinh thể, điện tích và quỹ đạo," tiến sĩ Yin cho biết. "Cánh cửa đến với những khả năng mới hiện đang mở rộng."
Nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
Anh Việt
