Khám phá thú vị này đánh dấu bước tiến lớn trong lĩnh vực từ tính, có thể dẫn đến các thiết bị điện tử tiết kiệm năng lượng mới trong tương lai. Bước đột phá này đến từ nhóm các nhà nghiên cứu quốc tế, do các nhà khoa học tại Đại học Uppsala ở Thụy Điển dẫn đầu, được công bố trên tạp chí Nature.

Bằng cách kết hợp kính hiển vi điện tử mạnh mẽ với các công cụ lý thuyết mới, nhóm nghiên cứu có thể quan sát được magnon với độ chi tiết chưa từng có. Magnon là sóng năng lượng, truyền qua các vật liệu từ tính như sắt hoặc niken.

Chúng được tạo ra bởi các từ trường nhỏ, hay còn gọi là “spin” của các nguyên tử khi chúng dịch chuyển và chuyển động cùng nhau theo một mô hình phối hợp, giống như một điệu nhảy đồng bộ. Những sóng này không mang điện tích, nhưng chúng có thể mang thông tin.

Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu hào hứng khi sử dụng chúng trong lĩnh vực mới gọi là từ tính (magnonics), nhằm mục đích thay thế dòng điện trong thiết bị điện tử bằng sóng spin. Điều này có thể cho phép tạo ra thiết bị nhanh hơn, nhỏ hơn, tiết kiệm năng lượng hơn so với các thiết bị điện tử hiện nay.

Tuy nhiên, cho đến nay, việc quan sát magnon ở cấp độ nano - chỉ bằng một phần tỉ mét - gần như là không thể. Các nhà khoa học chỉ có thể nhìn thấy chúng trên bề mặt hoặc phát hiện chúng một cách gián tiếp. Nhưng giờ đây, điều đó đã thay đổi.

Các nhà nghiên cứu sử dụng loại kính hiển vi điện tử đặc biệt tại phòng thí nghiệm SuperSTEM ở Anh. Kính hiển vi này có thể phát hiện những thay đổi năng lượng cực nhỏ - chỉ vài phần triệu electron volt - khi chùm electron đi qua vật liệu. Những thay đổi nhỏ này cho thấy sự hiện diện các magnon di chuyển qua các tinh thể nano oxit niken, một mô hình vật liệu từ tính.

Chìa khóa cho khám phá này nằm ở hai công cụ lý thuyết được phát triển tại Đại học Uppsala. Một công cụ, được gọi là TACAW (tự tương quan thời gian của các hàm sóng phụ), dự đoán cách các magnon tương tác với các electron chuyển động nhanh trong kính hiển vi.

Công cụ còn lại, UppASD (động lực học spin nguyên tử Uppsala), là chương trình máy tính mạnh mẽ, dùng để mô phỏng cách thức spin hoạt động trong vật liệu từ tính. Những công cụ này giúp nhóm nghiên cứu hiểu được các tín hiệu họ đang thấy và xác nhận chúng thực sự là magnon.

Thành tựu này không chỉ là cột mốc kỹ thuật đơn thuần. Nó mở ra cánh cửa cho các phương pháp hoàn toàn mới nghiên cứu và thiết kế vật liệu từ tính, có thể dẫn đến cải tiến trong các thiết bị từ tính, nơi thông tin được truyền tải bằng sóng spin thay vì dòng điện. Khám phá này đưa chúng ta tiến gần hơn một bước đến kỷ nguyên mới của điện tử năng lượng thấp, tốc độ cao.