Năm tinh thể hé lộ vì sao nhiệt bị bẻ hướng trong từ trường

Chênh lệch gấp mười lần hướng đến chính tinh thể

Năm tinh thể làm từ cùng một vật liệu cách điện dẫn nhiệt dọc theo chiều dài tốt như nhau, nhưng phản ứng theo phương ngang dưới tác dụng của từ trường lại khác nhau khoảng mười lần. Sự tương phản đó là phát hiện trọng tâm của nghiên cứu về NiPS3, một tinh thể từ tính phân lớp giúp tìm hiểu câu hỏi vật lý đã được đặt ra từ năm 2005: vì sao nhiệt do các dao động trung hòa về điện mang theo lại bị bẻ hướng trong từ trường.

Nghiên cứu có sự hợp tác giữa các nhà khoa học tại Trung tâm Khoa học Từ trường Xung mạnh Quốc gia thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Hoa Trung ở Vũ Hán và ESPCI Paris ở Pháp. Các phép đo liên hệ phản ứng nhiệt theo phương ngang với tính chất từ của tinh thể, thay vì với quãng đường các hạt tải nhiệt đi được giữa những lần va chạm.

Các nhà nghiên cứu xem mối liên hệ này là bằng chứng cho một cơ chế nội tại, tức cơ chế bắt nguồn từ sự tương tác giữa các đặc tính từ và dao động của chính vật liệu. Phát hiện này cung cấp cho giới khoa học một phép thử thực nghiệm để phân biệt cách giải thích đó với các cơ chế trong đó tạp chất hoặc những tâm tán xạ khác tạo ra phản ứng theo phương ngang.

Bài nghiên cứu về NiPS3, với phiên bản thứ hai trên arXiv đề ngày 1 tháng 10 năm 2024, ghi nhận độ dẫn nhiệt theo phương ngang đạt cực đại khoảng -1.63 watt trên mét trên kelvin ở 25 kelvin và 14 tesla. Mức nhiệt độ này tương đương khoảng âm 248 độ C. Dấu âm biểu thị chiều của phản ứng theo phương ngang theo quy ước đo của thí nghiệm.

Nghiên cứu được công bố nhân dịp bài báo đăng trên tạp chí Science ngày 23 tháng 10 năm 2026 theo giờ Bắc Kinh, tương ứng ngày 22 tháng 10 tại địa phương, và được giới thiệu là bài viết trang bìa. Lập luận thực nghiệm chi tiết đã có trong bản thảo năm 2024.

Nhiệt có thể đổi hướng ra sao khi không mang điện?

Hiệu ứng Hall điện thông thường xảy ra khi từ trường đẩy các điện tích đang chuyển động sang một bên. Điện tích tích tụ ở hai phía của vật dẫn, tạo ra điện áp vuông góc với dòng điện ban đầu.

NiPS3 là chất cách điện. Nhiệt truyền qua vật liệu này chủ yếu dưới dạng dao động của mạng tinh thể, tức cách sắp xếp có trật tự của các nguyên tử. Các nhà vật lý gọi những gói dao động này là phonon, tương tự cách họ gọi các gói ánh sáng là photon.

Phonon mang năng lượng nhưng không mang điện tích tổng. Vì vậy, nó không chịu lực từ thông thường làm lệch chuyển động của electron. Tuy nhiên, khi nhiệt truyền dọc theo tinh thể cách điện và từ trường được đặt vuông góc với hướng truyền nhiệt, giữa hai phía của tinh thể vẫn có thể xuất hiện chênh lệch nhiệt độ. Các nhà khoa học gọi hiện tượng này là hiệu ứng Hall nhiệt phonon.

Bằng chứng thực nghiệm đầu tiên xuất hiện vào năm 2005. Từ đó, tranh luận chính tập trung vào cơ chế: phản ứng theo phương ngang bắt nguồn từ hành vi tập thể của tinh thể hay từ sự tán xạ bất đối xứng khi phonon gặp tạp chất, khuyết tật hoặc các nhiễu loạn khác. Cả hai đều là lời giải thích vật lý cho tín hiệu đo được, nhưng quy nguyên nhân cho những quá trình khác nhau.

Các phép đo trong từ trường mạnh cho thấy điều gì

NiPS3 chứa niken, phốt pho và lưu huỳnh. Các nguyên tử niken tạo thành những lớp hình tổ ong; dưới 155 kelvin, tương đương khoảng âm 118 độ C, các mômen từ của chúng hình thành cấu trúc phản sắt từ dạng zíc zắc. Phản sắt từ là trạng thái trong đó các mômen sắp xếp theo những hướng đối nghịch, thay vì cùng hướng.

Nhóm nghiên cứu nuôi tinh thể đơn bằng phương pháp vận chuyển hóa học trong pha hơi, rồi đo đồng thời dòng nhiệt theo phương dọc và phương ngang bằng một bộ gia nhiệt và ba cặp nhiệt điện. Cách làm này cho phép họ so sánh dòng nhiệt chính với phản ứng nhiệt độ nhỏ hơn theo phương ngang.

Các phép đo từ hóa đạt tới 55 tesla ở 4.2 kelvin bằng từ trường xung. Không có chuyển pha từ nào xuất hiện trong khoảng này. Các phép đo Hall nhiệt được mô tả trong bản thảo đạt tới 14 tesla, tại đó phản ứng theo phương ngang biến thiên tuyến tính theo từ trường đặt vào.

Độ dẫn nhiệt chính đạt cực đại 274 watt trên mét trên kelvin. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của đại lượng này gần như giống hệt nhau ở từ trường bằng không và 14 tesla; nó cũng đạt đỉnh ở cùng nhiệt độ với độ dẫn nhiệt theo phương ngang. Các nhà nghiên cứu xác định phonon là hạt tải nhiệt chủ yếu, còn kích thích từ đóng góp rất ít vào dòng nhiệt chính.

Vì sao việc so sánh năm mẫu có ý nghĩa

Năm tinh thể NiPS3 tạo điều kiện so sánh hữu ích vì khả năng truyền nhiệt thông thường của chúng về cơ bản không đổi. Các đường biểu diễn độ dẫn nhiệt dọc gần như chồng khít lên nhau, và nhiệt dung của chúng cũng tương tự.

Do đó, quãng đường tự do trung bình của phonon, tức khoảng cách trung bình một dao động truyền đi trước khi bị tán xạ, về cơ bản giống nhau ở cả năm mẫu. Có thể hình dung đây là năm con đường mà xe cộ đều đi được quãng đường như nhau giữa các lần bị gián đoạn.

Phản ứng theo phương ngang lại khác hẳn. Mức cực đại ở một tinh thể lớn hơn khoảng mười lần so với một tinh thể khác, dù khả năng truyền nhiệt theo chiều tiến của chúng tương tự nhau. Điều này giúp nhóm nghiên cứu so sánh hành vi từ trong khi giữ cho sự truyền nhiệt thông thường gần như không đổi.

Một số cơ chế tán xạ được đề xuất dự đoán rằng phản ứng theo phương ngang sẽ tăng theo quãng đường tự do trung bình của phonon. Một mô hình được thảo luận trong bài báo cho rằng độ dẫn nhiệt dọc tỷ lệ với quãng đường này, còn độ dẫn nhiệt ngang tỷ lệ với bình phương của nó. Thay vào đó, các thí nghiệm trên NiPS3 ghi nhận độ dẫn nhiệt ngang thay đổi lớn trong khi quãng đường tự do trung bình vẫn gần như cố định.

Các tác giả, những nhà nghiên cứu tìm hiểu sự truyền nhiệt trong NiPS3, nêu kết luận trong phần tóm tắt của bài báo:

Tầm quan trọng của một tính chất nhiệt động lực học, cùng với việc quãng đường tự do trung bình không có vai trò, cho thấy hiện tượng có nguồn gốc nội tại.

Hướng từ tính tương quan với tín hiệu

Độ dẫn nhiệt theo phương ngang biến thiên theo tính dị hướng từ của các tinh thể, nghĩa là phản ứng từ phụ thuộc vào hướng. Từ hóa theo hướng ký hiệu là a gần như giống hệt nhau ở cả năm mẫu. Theo hướng b, từ hóa khác nhau khoảng 30% giữa mẫu có tính dị hướng lớn nhất và mẫu có tính dị hướng nhỏ nhất.

Sự song tinh giúp lý giải khác biệt này. Tinh thể song tinh chứa các vùng có mạng tinh thể xoay tương đối với nhau. Trong vật liệu này, các vùng có thể chung một trục nhưng xoay lệch nhau 120 độ. Tỷ lệ pha trộn khác nhau giữa các vùng làm thay đổi phản ứng từ đo được theo một hướng đã chọn.

Mẫu gần với tinh thể chỉ có một hướng định hướng chiếm ưu thế nhất có phản ứng Hall nhiệt lớn nhất. Mẫu có số lượng gần bằng nhau của ba hướng định hướng khả dĩ có phản ứng nhỏ nhất. Như vậy, cấu trúc từ và cách sắp xếp tinh thể đều có ý nghĩa, ngay cả khi sự truyền nhiệt theo chiều tiến vẫn không đổi.

Các phép đo mômen xoắn cung cấp thêm một phép kiểm tra. Chúng theo dõi sự thay đổi của năng lượng tự do từ khi hướng từ trường xoay. Năng lượng tự do mô tả phần năng lượng mà một hệ có thể cung cấp trong những điều kiện xác định; ở đây, mức biến thiên theo hướng cho biết tinh thể ưu tiên một số hướng từ nhất định đến mức nào. Tính chất cân bằng này tương quan với tín hiệu nhiệt theo phương ngang, tạo nên lập luận nhiệt động lực học của nghiên cứu.

Dao động có thể vay mượn phản ứng từ như thế nào

Giải thích vi mô được đề xuất liên quan đến magnon, những sóng tập thể trong sự sắp xếp của các mômen từ. Phonon mô tả dao động nguyên tử; magnon mô tả chuyển động từ. Sự ghép cặp cho phép hai dạng chuyển động ảnh hưởng lẫn nhau.

Các nhà nghiên cứu so sánh phổ phonon tính toán với phổ magnon thu được từ các phép đo tán xạ neutron. Những phổ này cho thấy các mức năng lượng khả dĩ của sóng truyền trong tinh thể. Một số nhánh phonon và magnon giao nhau; điểm giao đầu tiên được xác định nằm gần 3.7 millielectronvolt.

Tại điểm giao nhau như vậy, sự ghép cặp có thể tạo ra hai mode hỗn hợp chứa cả chuyển động dao động lẫn chuyển động từ. Thành phần từ tạo con đường để kích thích kết hợp phản ứng với từ trường, còn thành phần dao động mang nhiệt.

Các điểm giao xuất hiện dọc theo hướng không gian nghịch đảo tương ứng với trục b của tinh thể, liên hệ cơ chế được đề xuất với hướng có ý nghĩa trong các phép đo từ hóa. Các tác giả cũng suy ra thang năng lượng khoảng 1 millielectronvolt từ sự phụ thuộc theo nhiệt độ của phản ứng Hall. Họ xem những mối liên hệ này là bằng chứng ủng hộ sự lai hóa magnon và phonon; cơ chế vi mô chi tiết vẫn cần được kiểm chứng thêm.

Phốt pho đen cung cấp manh mối trước đó

Một kết quả liên quan được công bố trên Nature Communications ngày 23 tháng 2 năm 2023. Nghiên cứu về phốt pho đen khảo sát một vật liệu nguyên tố không có trật tự từ, giúp các nhà nghiên cứu tìm hiểu hiệu ứng Hall nhiệt phonon trong một hệ đơn giản hơn.

Độ dẫn nhiệt dọc và ngang của vật liệu này đạt cực đại ở nhiệt độ gần như nhau, tương tự NiPS3. Ở 12 tesla, góc Hall nhiệt đo được trong hai cấu hình lần lượt khoảng 0.005 và 0.0012, tương đương 0.5% và 0.12%. Góc này biểu thị gradient nhiệt theo phương ngang so với gradient nhiệt chính.

Trong các vật liệu cách điện được so sánh ở bài báo đó, một chiều dài đặc trưng tính từ phản ứng Hall nằm trong khoảng 2 đến 7 angstrom, tương đương khoảng cách giữa các nguyên tử. Trong khi đó, quãng đường tự do trung bình của phonon biến thiên hơn ba bậc độ lớn, tức chênh lệch trên 1,000 lần.

Các nhà nghiên cứu về phốt pho đen đề xuất rằng sự ghép cặp giữa các nhánh dao động âm học và phân bố điện tích không đồng đều quanh các liên kết có thể tạo ra phản ứng từ. Họ cũng giữ các cách giải thích dựa trên tán xạ trong số những khả năng cần xem xét. NiPS3 bổ sung một phương tiện thực nghiệm khác: năm mẫu có khả năng truyền nhiệt theo chiều tiến gần như giống hệt nhau nhưng phản ứng từ và phản ứng ngang rất khác nhau.

Gia nhiệt một tinh thể khác giúp phân biệt tác động của khuyết tật với nguồn gốc hiện tượng

Một nghiên cứu tiếp theo, đăng trên npj Quantum Materials ngày 24 tháng 3 năm 2026, khảo sát bốn tinh thể stronti titanate từ các nhà cung cấp khác nhau. Nghiên cứu về khuyết tật và ủ nhiệt có sự tham gia của Xiaokang Li, Kamran Behnia và Zengwei Zhu, những người cũng tham gia nghiên cứu NiPS3.

Các mẫu stronti titanate chất lượng cao hơn tạo ra góc Hall nhiệt đạt 0.3% và 0.15% ở 9 tesla. Các tinh thể có nhiều khuyết tật hơn hầu như không tạo ra tín hiệu. Gia nhiệt các tinh thể nhiều khuyết tật trong không khí ở 1,000 độ C giúp phục hồi một phần phản ứng, đạt khoảng 0.1% ở 9 tesla, trong khi độ dẫn nhiệt dọc hầu như không thay đổi.

Ủ nhiệt, tức gia nhiệt có kiểm soát rồi làm nguội, có thể giúp ứng suất bên trong đồng đều hơn. Các tác giả xác định khuyết tật và ứng suất không đồng đều là những yếu tố làm suy giảm phản ứng nội tại. Kết quả cho thấy khuyết tật có thể tác động mạnh đến mức nào, ngay cả khi chúng không phải là nguồn được đề xuất của hiệu ứng Hall.

Nhóm nghiên cứu cũng so sánh các tiếp điểm bằng keo bạc kim loại với tiếp điểm bằng mỡ cách điện trên cùng một mẫu và thu được các phép đo không thể phân biệt. Với những thí nghiệm đo tín hiệu rất nhỏ, chẳng hạn góc dưới 0.02% ở 10 tesla, họ khuyến nghị kiểm tra thêm các đóng góp có thể có từ tiếp điểm.

Nỗ lực nghiên cứu kéo dài từ năm 2005 đến 2026

Nghiên cứu hợp tác về NiPS3 do các nhà khoa học ở Vũ Hán và Paris dẫn đầu. Liang Li, giám đốc Trung tâm Khoa học Từ trường Xung mạnh Quốc gia, phối hợp với Zengwei Zhu và nhà vật lý Kamran Behnia tại ESPCI Paris. Nghiên cứu sinh tiến sĩ Qingkai Meng và nhà nghiên cứu liên kết Xiaokang Li là đồng tác giả thứ nhất.

Một số mốc thời gian cho thấy lập luận thực nghiệm đã phát triển như thế nào:

• 2005: Các nhà nghiên cứu công bố bằng chứng thực nghiệm đầu tiên về hiệu ứng Hall phonon trong một tinh thể cách điện.
• Ngày 23 tháng 2 năm 2023: Nghiên cứu về phốt pho đen liên hệ hiệu ứng này với dao động âm học và xác định rằng nó không tương quan với quãng đường tự do trung bình của phonon.
• Ngày 1 tháng 10 năm 2024: Phiên bản thứ hai của bản thảo về NiPS3 xuất hiện trên arXiv.
• Ngày 24 tháng 3 năm 2026: Nghiên cứu về stronti titanate ghi nhận tác động của khuyết tật, ủ nhiệt và vật liệu tiếp điểm.
• Ngày 23 tháng 10 năm 2026, theo giờ Bắc Kinh: Nghiên cứu về NiPS3 được công bố nhân dịp bài báo đăng trực tuyến trên Science.

Tổng hợp lại, các thí nghiệm hướng sự chú ý đến định hướng từ, dao động ghép cặp và ứng suất bên trong như những yếu tố chi phối sự truyền nhiệt theo phương ngang. Với các phòng thí nghiệm đang tìm cách tái lập hiệu ứng này, đo khả năng dẫn nhiệt theo chiều tiến của tinh thể chỉ là một phần công việc. Cấu trúc từ và cấu trúc tinh thể của nó cũng cần được xem xét kỹ lưỡng.

Điểm chính

• Năm tinh thể NiPS3 cho thấy độ dẫn nhiệt theo phương ngang biến thiên khoảng mười lần, trong khi sự truyền nhiệt dọc về cơ bản không đổi.
• Phản ứng Hall tương quan với tính dị hướng từ và năng lượng tự do từ theo hướng, ủng hộ giả thuyết về nguồn gốc nội tại.
• Độ dẫn nhiệt Hall đạt cực đại gần -1.63 watt trên mét trên kelvin ở 25 kelvin và 14 tesla.
• Các điểm giao giữa magnon và phonon gần 3.7 millielectronvolt có thể giúp dao động mang nhiệt phản ứng với từ trường.
• Các thí nghiệm trên phốt pho đen và stronti titanate cũng liên hệ phản ứng này với những yếu tố vượt ra ngoài quãng đường truyền của phonon, gồm sự ghép cặp dao động, khuyết tật và ứng suất.