Nguyên lý phát ra dòng điện trên bề mặt và dọc theo các cạnh của vật liệu mới. Ảnh: Hiroshima University.

Theo Phys, nhóm nghiên cứu thuộc đại học Hiroshima, Nhật Bản, đã tìm ra cách để tạo ra dòng điện ở nhiệt độ phòng mà không hao phí năng lượng hoặc cần phải có nguồn điện ngoài nhờ vật liệu có tên "chất cách điện topo".

 

Các nghiên cứu từ trước tới nay cho thấy, dòng điện có thể được tạo ra nhờ tính chất sắt từ hoặc độ nhạy từ cao của vật liệu mà không cần nguồn điện ngoài. Hiện tượng này lần đầu tiên được phát hiện vào những năm 1980, được đặt tên là "Hiệu ứng Hall lượng tử" (theo tên nhà vật lý người Mỹ phát hiện ra hiệu ứng, Edwin Hall).

 

Tuy nhiên, để đạt được yêu cầu tạo ra dòng điện mà không mất mát năng lượng, cho tới nay hệ thống vẫn cần phải đặt trong một môi trường rất lạnh với một từ trường ngoài lớn.

 

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học Nhật Bản đã sử dụng vật liệu cách điện topo sắt từ, có công thức dạng "Cr(Sb/Bi)2Te3" (Cr: Crom, Sb: Antimony, Te: Tellurium, Bi: Bismuth). Loại vật liệu này có tính chất kim loại ở vỏ ngoài, và cách điện ở lớp trong. Một màng mỏng nhỏ chế tạo từ vật liệu này sẽ phát ra một dòng điện trên bề mặt hoặc dọc theo các cạnh mà không cần nguồn điện ngoài.

 

Năm 2007, khi lần đầu quan sát thấy hiện tượng này xảy ra ở nhiệt độ thấp mà không mất mát năng lượng, các nhà khoa học đã rất ngạc nhiên. Họ không lý giải được tại sao nó lại trở thành vật liệu sắt từ để từ đó tự phát ra dòng điện.

 

"Đây là lý do vì sao chúng tôi chọn vật liệu này làm đối tượng nghiên cứu", Giáo sư Akio Kimura, Đại học Hiroshima, thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết.

 

Trong hợp chất Cr(Sb/Bi)2Te3, Cr có tính sắt từ, hoạt động như một nam châm siêu nhỏ, kích thước nguyên tử. Thông thường, các nguyên tử này sẽ tương tác để định hướng sắp xếp theo chiều Bắc – Nam, nhưng do cấu tạo phân tử Cr(Sb/Bi)2Te3, các nguyên tử Cr ở quá xa nhau để thực hiện điều này. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng, các nguyên tử phi từ tính như Sb hay Te sẽ đóng vai trò cầu nối để tương tác này xảy ra, làm cho toàn bộ vật liệu có tính sắt từ. Phát hiện này rất quan trọng trong việc phát triển các thiết bị điện tử tiêu thụ ít năng lượng.

 

Hiện các kết quả mới chỉ đạt được ở nhiệt độ rất thấp, nhóm nghiên cứu đang tìm cách để tăng nhiệt độ chuyển pha từ tính này.

 

"Chúng tôi hy vọng rằng thành tựu này sẽ làm tiền đề cho việc tạo ra các vật liệu mới hoạt động ở nhiệt độ phòng trong tương lai", Kimura nói. Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Communication hôm 19/11/2015.