Các cụm gồm 10 nguyên tử tantali, được sắp xếp theo hình tam giác, tạo ra ứng suất trong cấu trúc tinh thể. Nguồn: Jewook Park/ORNL, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

Được cấu tạo từ tantali, vonfram và selen - những nguyên tố thường được nghiên cứu về tiềm năng trong lĩnh vực điện tử tiên tiến - tinh thể này thể hiện một cấu trúc nguyên tử bất ngờ, gợi ý về các ứng dụng mới trong điện tử dựa trên spin và vật liệu lượng tử. Các nhà nghiên cứu tiết lộ rằng tương tác giữa sự tự sắp xếp nguyên tử và từ tính có thể đặt nền tảng cho những tiến bộ đáng kể.

Tại Trung tâm Khoa học Vật liệu Nanophase (CNMS) của ORNL, nơi các nhà khoa học nghiên cứu vật liệu ở quy mô nhỏ hơn hàng triệu lần so với sợi tóc người, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các cuộc điều tra chi tiết ở cấp độ nguyên tử. Họ dự đoán rằng các nguyên tử tantali sẽ được phân bố ngẫu nhiên trong vật liệu, như thường thấy trong nhiều hệ thống. Thay vào đó, các nguyên tử tự sắp xếp thành các cụm tam giác bất thường gồm 10 nguyên tử, mỗi cụm được sắp xếp để giảm thiểu năng lượng tổng thể của vật liệu và tăng cường tính ổn định của nó, một yếu tố quan trọng đối với độ tin cậy của các hệ thống lượng tử.

Khi tinh thể được làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp, dưới 50 Kelvin (khoảng âm 223 độ C), một biến dạng nhỏ xuất hiện ở các góc của các cụm này. Biến dạng này khởi phát quá trình chuyển đổi từ tính, có nghĩa là vật liệu bắt đầu thể hiện từ tính ở các vùng cụ thể. Nói một cách đơn giản, sự sắp xếp nguyên tử có trật tự không chỉ ổn định vật liệu mà còn tạo ra các đặc tính riêng biệt khi được làm lạnh đủ.

Điện tử dựa trên spin, hay còn gọi là spintronics, khai thác spin nội tại của electron bên cạnh điện tích của chúng. Phương pháp tiên tiến này hứa hẹn một giải pháp thay thế khả thi cho điện tử truyền thống bằng cách cho phép hoạt động nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Nó là một phần của lĩnh vực rộng lớn hơn được gọi là vật liệu lượng tử, một loại chất mà các hiệu ứng cơ học lượng tử chi phối hành vi và tạo ra các hiện tượng như siêu dẫn và các tính chất từ ​​tính bất thường. Hiểu biết sâu sắc hơn và kiểm soát chính xác các tương tác ở cấp độ nguyên tử này, có thể tạo ra những tiến bộ mang tính đột phá trong điện toán, lưu trữ dữ liệu và các lĩnh vực quan trọng khác.

“Kỹ thuật ở cấp độ nguyên tử đang định nghĩa lại cách chúng ta chế tạo vật liệu,” Jewook Park của CNMS cho biết. “Những tiến bộ này hứa hẹn một tương lai nơi chúng ta khai thác các đặc tính của chúng với độ chính xác chưa từng có.”