TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX 20 SƠ LƯỢC VỀ TỪ HỌC VÀ VẬT LIỆU TỪ Ngô Đức Thế * Department of Physics and Astronomy, University of Glasgow, Glasgow G12 8QQ, United Kingdom Có lẽ từ học là một trong những môn lâu đời nhất của vật lý, lịch sử về từ học bắt đầu từ hơn 3000 năm trước khi người Trung hoa lần đầu tiên sử dụng các "đá nam châm" có khả năng định hướng Bắc-Nam làm la bàn để chỉ phương hướng. Trong sử sách Trung Quốc có ghi lại là "Chu Công dùng xe có kim chỉ nam để đưa sứ thần người Việt về nước " (xin đừng ng ộ nhận đây là người Việt Nam chúng ta, mà đây là người Việt trong bộ tộc Bách Việt ở miền Nam sông Dương Tử mà thôi). Các nghiên cứu về từ học được bắt đầu với sự ra đời của bộ sách Electricity and Magnetism của William Girlbert vào năm 1600, và từ học đã liên tục phát triển cho đến ngày nay với bao ứng dụng to lớn và hết sức thiết thực vào đời sống cũng như sản xuất. Ta có th ể bắt gặp chúng ở khắp nơi, từ chiếc la bàn, những chiếc nam châm, cho đến những lõi biến thế, lõi ferrite, hay cao cấp như ổ cứng lưu trữ thông tin Bài viết này hi vọng là một chút tóm tắt sơ lược cho những ai bắt đầu tìm hiểu về từ học. * E-mail: ndthe@physics.org I. MỞ ĐẦU Từ học là một trong những môn khoa học lâu đời nhất trong vật lý. Lịch sử của nó được bắt đầu từ khoảng hơn 3000 năm trước. Người Trung Quốc cho rằng từ đời Hoàng Đế (trị vì Trung Hoa từ những năm 2698 TCN đến 2599 TCN), đã chế tạo ra các kim chỉ nam dùng để xác định phương hướng. Đó là các đá nam châm có khả năng hút sắt và định hướng Bắc-Nam. Chính sử đầu tiên ghi chép việc chế tạo các la bàn này là đầu đời Nhà Chu (1046-771 TCN) và la bàn thực sự xuất hiện nhiều là thế kỷ thứ 7 trước công nguyên (đồng thời ở Trung Quốc và Hy Lạp). Các kim chỉ nam trong la bàn là một dạng của vật liệu từ cứng, là các ôxit sắt [1,2]. Các nghiên cứu ứng dụng các hiện tượng từ và lý giải các hiện tượng từ bắt đầu ở Châu Âu từ thế kỷ 17, mà mở đầu là công trình của William Gilbert và sau đó là các nghiên cứu của Michael Faraday, Ampere, Oersted, Lorentz, Maxwell [2] mở đầu cho việc đem các ứng dụng từ học vào cuộc sống. Cho đến ngày nay, từ học vẫn là một chủ đề lớn của vật lý học với nhiều hiện tượng lý thú và nhiều khả năng ứng dụng trong khoa học, công nghệ, y - sinh học, cũng như trong cuộc sống. II. NGUỒN GỐC CỦA TỪ TÍNH TRONG VẬ T CHẤT Nguồn gốc của từ tính là sự chuyển động của các điện tích, đó là cách hiểu đơn giản nhất về nguồn gốc từ trường. Có thể hiểu đơn giản là các điện tích chuyển động trong nguyên tử tạo ra các dòng điện tròn, các dòng điện này tạo ra từ trường (tất nhiên hiểu một cách bản chất thì phức tạp hơn), và để hiểu hơn, ta cần nắm rõ một số đơn vị trong từ học. - Cường độ từ trường (Magnetic field Strength): Chỉ độ mạnh yếu của từ trường, không phụ thuộc vào môi trường xung quanh, thường ký hiệu là H. Trong hệ đơn vị chuẩn SI, cường độ từ trường H có đơn vị là A/m (có thể nhớ đơn giản theo công thức từ trường sinh ra trong cuộn solenoid là H = n.I, I có đơn vị A, n có đơn vị 1/m > H là A/m). Ngoài ra, giới nghiên cứu về từ học hay sử dụng 1 hệ đơn vị khác là hệ CGS (Cm-G-S), trong hệ này, đơn vị của H là Oe (Oersted). 1 Oe ~ 80 A/m. Hình 1. Chuyển động của các điện tích là một nguồn gốc của từ trường. - Cảm ứng từ (Magnetic Induction): chỉ cường độ từ trường trong môi trường (tức là nó tỉ lệ với từ trường theo hằng số môi trường), ký hiệu là B. Trong chân không, B = μ 0 .H, với μ 0 = 4π.10 -7 N.A -2 là hằng số từ, hay độ từ thẩm của chân không. Đơn vị của B là T (Tesla) trong hệ SI, còn hệ CGS, đơn vị của B là G (Gauss), 1 T = 10000 G. Trong hệ CGS, hằng số m0 có giá trị là 1, vì thế 1 G = 1 Oe. Ta chú ý rằng, quan hệ B = μ 0 .H là trong chân không, còn trong một môi trường bất kỳ, còn phải nhân 1 hệ số của môi trường khác gọi là độ từ thẩm (sẽ trình bày sau). Dưới đây là ví dụ về cảm ứng từ B của một số nguồn từ: + Từ trường của nam châm móng ngựa: 500G-1000G + Từ trường của nam châm đất hiếm (rất mạnh và khá đắt tiền): 0,75-1.4T TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX 21 + Từ trường của các nam châm điện trong các từ kế (từ trường 1 chiều DC): 1 - 2.5T + Từ trường của nam châm siêu dẫn: 5-9T + Từ trường xung: 9-15T + Từ trường Trái đất: 0,5G Chú ý là từ trường 1 T là khá lớn so với các từ trường thông thường mà ta gặp trong cuộc sống. - Momen từ (Magnetic moment): Là thước đo độ mạnh yếu của nguồn từ, là độ lớn của vectơ lưỡng cực từ, có đơ n vị là I.m 2 . - Từ thông (Magnetic flux): Chỉ số đường sức qua một tiết diện của vật, được tính bằng tích vô hướng của vecto cảm ứng từ B và véc tơ diện tích S. Mômen từ nguyên tử: Ta hãy xét bài toán đơn giản một nguyên tử có 1 điện tử chuyển động quanh hạt nhân theo mô hình Bohr. Mô hình Bohr xét điện tử chuyển động trên quỹ đạo bán kính r, vận tốc v. Lúc đó, mômen từ sinh ra do chuyển động của đi ện tử là: 2 .1 2. . 2 ev I Srevr r μπ π == = (1) Mặt khác, mômen động lượng của điện tử là: L = p.r = m.v.r. Theo mô hình Bohr, mômen động lượng của điện tử chuyển động trên quỹ đạo bằng một số nguyên lần hằng số Planck. Do đó, ta có: . . n vr m = = (2) (n là một số nguyên, có thể nhận các giá trị 1, 2, 3 ) Thay (2) vào (1), ta có công thức tính mômen từ nguyên tử: 24 2 11. . . . 22 4. . .9,2710. 4. B nhe evr e n mm he nAm m μ π μ π − == = ==× = (3) μ B gọi là Bohr Magneton, dùng để làm đơn vị của mômen từ nguyên tử. Đây là một tính toán về nguồn gốc của từ trường là chuyển động quỹ đạo của điện tử [3]. Tuy nhiên, vật lý hiện đại chỉ ra rằng, còn có đóng góp của spin của điện tử vào từ tính của vật chất. Có thể hiểu spin như là mômen từ sinh ra do chuyển động tự quay của spin (hiểu mộ t cách đơn giản). Thực tế, spin là một thuộc tính của các hạt cơ bản. Vậy, nguồn gốc của tù trường là do 2 đóng góp: + Chuyển động của điện tử trên quỹ đạo + Spin (chuyển động tự quay của điện tử). - Độ từ hóa (Magnetization): Ta vừa nói đến khái niệm mômen từ, vậy độ từ hóa là gì? Độ từ hóa là tổng mômen từ trong một đơn vị thể tích. Độ từ hóa theo cách định nghĩa này có cùng thứ nguyên với từ trường H. Đôi khi người ta còn dùng khái niệm độ từ hóa là tổng mômen từ trên một đơn vị khối lượng. Ta có quan hệ giữa B, H và M như sau: B = μ 0 (M + H), M = χ.H χ gọi là độ cảm từ (Magnetic susceptibility), nói nên khả năng phản ứng của vật chất với từ trường. Do đó, ta có quan hệ: B = μ 0 (M + H) = μ 0 (1+χ).H hay B = μ 0 (1+1/χ).M Đại lượng μ = 1+χ gọi là độ từ thẩm (Magnetic permeability) hiệu dụng của vật liệu (độ từ thẩm tuyệt đối là μ 0 (1+χ)), và thường chỉ gọi tắt là độ từ thẩm. Độ từ thẩm và độ cảm từ có cùng ý nghĩa, có ý nghĩa chỉ khả năng phản ứng của vật chất dưới tác dụng của trường ngoài. Bảng 1 liệt kê đơn vị của một số đại lượng. Bảng 1. Đơn vị của một số đại lượng trong hệ SI (MKS Unit) và hệ Gauss (CGS). Đại lượng Hệ SI Hệ số chuyển đổi Hệ CGS Độ dài m 100 cm Khối lượng kg 1000 g Lực N 10 5 dyn Năng lượng J 10 7 erg Từ thông Wb 10 8 Maxwell Cảm ứng từ T 10 4 G Cường độ từ trường A/m 4π/1000 Oe Độ từ hóa A/m 1/1000 emu/cm 3 Mômen từ A.m 2 1000 emu Độ từ thẩm H/m 2 10 7 /4π Như vậy, ta đã có những khái niệm cơ bản về từ học. Phần tiếp theo sẽ nói về các loại vật liệu từ. Sự phân chia này dựa trên khả năng phản ứng của mỗi chất dưới tác dụng của từ trường ngoài. III. PHÂN LOẠI CÁC VẬT LIỆU TỪ 1. Vật liệu nghịch từ (Diamagnetic materials) "Nghịch" ở đây có thể hiểu là chống lại t ừ trường. Đó là thuộc tính cố hữu của mọi vật chất. Ta biết rằng, khi đặt một vật vào từ trường, theo quy tắc cảm ứng điện từ, trong nội tại của nguyên tử sẽ sinh ra dòng cảm ứng theo quy tắc Lenz, tức là dòng sinh ra sẽ có xu thế chống lại nguồn sinh ra nó (từ trường), và tạo ra một mômen từ phụ ngược với chiều của từ trường ngoài. Đó là tính nghịch từ. Chất nghịch từ là chất không có mômen từ nguyên từ (tức là mômen từ sinh ra do các điện tử bù trừ lẫn nhau), vì thế khi đặt một từ trường ngoài vào, nó sẽ tạo ra các mômen từ ngược với từ trường ngoài (quy tắc nghịch từ nói ở trên). Theo nguyên lý, vật nghịch từ sẽ bị đẩy ra khỏi từ trường. Nhưng thông thường, ta khó mà quan sát được hiệu ứng này bở i tính nghịch từ là rất yếu (độ từ thẩm của chất nghịch là nhỏ hơn và xấp xỉ 1 - độ cảm từ âm và rất bé, tới cỡ 10 -6 ). Các chất nghịch từ điển hình là H 2 O, Si, Bi, Pb, Cu, Au Các bạn sinh viên làm về từ học trên các màng mỏng lần đầu tiên có thể hơi choáng khi đo đường cong từ trễ của màng mỏng sắt từ trên các đế Si. Ví dụ như hình dưới đây, nếu chưa hiểu rõ, sẽ rất ngạc nhiên vì sao đường cong từ trễ lại có dạng chúi mũi xuống như thế: TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX 22 -10 -5 0 5 10 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 M (memu) H (kOe) Hình 2. Đường cong từ trễ của màng mỏng sắt từ Co 13 Cu 887 trên đế Si đo bằng từ kế mẫu rung [4]. Tại sao vậy? Ta biết rằng màng mỏng là một lớp rất mỏng phủ trên đế Si nghịch từ. Mômen từ của Si sẽ âm và lớn dần trong từ trường, còn mômen từ của màng là dương và cũng tăng dần. Trong từ trường nhỏ, tính sắt từ thắng thế nên ta thấy đường cong bình thường. Nhưng khi từ trường lớn, mômen từ âm thắng thế, và đường cong ngày càng bị chúc mũi xuống. Ví dụ về độ cảm từ (μ) của một số chất: Cu: μ = -0,94.10 -5 Pb: μ = -1,7.10 -5 H 2 O: μ = -0,88.10 -5 2. Chất thuận từ (Paramagnetic substance) Chất thuận từ là chất có mômen từ nguyên từ, nhưng mômen từ này cũng rất nhỏ, có thể xem một cách đơn giản các nguyên tử của chất thuận từ như các nam châm nhỏ (xem hình 3), nhưng không liên kết được với nhau (do khoảng cách giữa chúng xa và mômen từ yếu). Hình 3. Hình ảnh đơn giản về chất thuận từ. Khi đặt từ trường ngoài vào chất thuận từ, các "nam châm" (mômen từ nguyên tử) sẽ có xu hướng bị quay theo từ trường, vì thế mômen từ của chất thuận từ là dương, tuy nhiên do mỗi "nam châm" này có mômen từ rất bé, nên mômen từ của chất thuận từ cũng rất nhỏ. Hơn nữa, do các nam châm này không hề có tương tác với nhau nên chúng không giữ được từ tính, mà lập tức bị mất đi khi ngắt từ trường ngoài. Nh ư vậy, chất thuận từ về mặt nguyên lý cũng bị hút vào từ trường (một hình ảnh ví dụ là Ôxy lỏng bị hút vào cực của nam châm điện (hình 4) nhưng thực tế, bức tranh này ta chỉ quan sát thấy trong từ trường mạnh. Hình 4. Ôxy lỏng (chất thuận từ) bị hút vào cực của nam châm điện [3]. Các chất thuận từ điển hình là Al, Na, O 2 , Pt , và độ cảm từ μ của 1 số chất thuận từ như sau: Al: μ = 2,10.10 -5 Pt: μ = 2,90.10 -5 Ôxy lỏng: μ = 3,50.10 -5 Trước đây, người ta thường coi các chất thuận từ và nghịch từ là các chất từ tính yếu, hay phi từ, gần đây, các chất có tính chất giống thuận từ (siêu thuận từ) lại được nghiên cứu ứng dụng mạnh, và không phải là từ tính kém (sẽ trình bày sau). 3. Vật liệu sắt từ và tính sắt từ (Ferromagnetic materials - Ferromagnetism) Chất sắt từ (Ferromagnetic materials) được biết đến là chất có từ tính mạ nh, tức là khả năng cảm ứng dưới từ trường ngoài mạnh. Fe, Co, Ni, Gd là những ví dụ điển hình về loại chất này. Chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử. Nhưng nó khác biệt so với các chất thuận từ ở chỗ các mômen từ này lớn hơn và có khả năng tương tác với nhau (tương tác trao đổi sắt từ - Ferromagnetic exchange interaction). Ta tưởng tượng tương tác này như là các nam châm đứng gần nhau, chúng hút nhau và giữ cho nhau song song nhau. Tất nhiên, bản chất vật lý của tương tác trao đổi không như thế, bản chất của tương tác trao đổi là tương tác tĩnh điện đặc biệt. Tương tác này dẫn đến việc hình thành trong lòng vật liệu các vùng (gọi là các đômen từ - Magnetic domain) mà trong mỗi TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX 23 đômen này, các mômen từ sắp xếp hoàn toàn song song nhau (do tương tác trao đổi), tạo thành từ độ tự phát - spontaneous magnetization của vật liệu (có nghĩa là độ từ hóa tồn tại ngay cả khi không có từ trường). Nếu không có từ trường, do năng lượng nhiệt làm cho mômen từ của các đômen trong toàn khối sẽ sắp xếp hỗn độn do vậy tổng độ từ hóa của toàn khối vẫn bằng 0 (hình 5). Hình 5. Hình ảnh các đômen từ (các vùng có màu sắc khác nhau) trên một mẫu hợp kim Ni 80 Fe 20 có chiều dày 20 nm, cạnh 500 nm. Vật được chia thành 4 đômen . Nếu ta đặt từ trường ngoài vào vật liệu sẽ có 2 hiện tượng xảy ra: - Sự lớn dần của các đômen có mômen từ theo phương từ trường - Sự quay của các mômen từ theo hướng từ trường Khi tăng dần từ trường đến mức đủ lớn, ta có hiện tượng bão hòa từ, lúc đó tất cả các mômen từ sắp xếp song song với nhau và trong vật liệu chỉ có 1 đômen duy nhất. Nếu ta ngắt từ trường, các mômen từ sẽ lại có xu hướng hỗn độn và lại tạo thành các đômen, tuy nhiên, các đômen này vẫn còn tương tác với nhau (ta tưởng tượng hình ảnh các nam châm hút nhau làm chúng không hỗn độn được) do vậy tổng mômen từ trong toàn khối không thể bằng 0 mà bằng một giá trị khác 0, gọi là độ từ dư (remanent magnetization). Điều này tạo thành hiện tượng trễ của vật liệu (xem hình vẽ ). Nếu muốn khử hoàn toàn mômen từ của vật liệu, ta cần đặt một từ trường ngược sao cho mômen từ hoàn toàn bằng 0, gọi là lực khác từ (coercivity, hay coercive field). Đường cong từ hóa (sự phụ thuộc của từ độ vào từ trường ngoài của chất sắt từ khác với chất thuận từ ở chỗ nó là đường cong phi tuyến (của thuận từ là tuyến tính) và đạt tới bão hòa khi từ trường đủ lớn (hình 6). Hai đặc trưng cơ bản cần nhớ của chất sắt từ là (xem hình 6): - Đường cong từ trễ (hysteresis loop) - và nhiệt độ Curie T C . Nhiệt độ Curie là nhiệt độ mà tại đó, chất bị mất trật tự từ, và khi T>T C , chất trở thành thuận từ và khi T<T C , chất là sắt từ. Nhiệt độ T C được gọi là nhiệt độ chuyển pha sắt từ-thuận từ. T C là một thông số đặc trưng cho chất (thông số nội tại). Ví dụ với một số chất có nhiệt độ Curie như dưới đây: Fe: 1043K Co: 1388K Gd: 292.5K Ni: 627K Hình 6. Đường cong từ trễ (a) và nhiệt độ Curie (b) của chất sắt từ. Mỗi chất sắt từ có khả năng "từ hóa" (tức là chịu biến đổi về từ tính dưới tác động của từ trường ngoài) và khử từ (sự mất từ tính dưới tác dụng của từ trường ngoài ngược với nội trường) khác nhau. Từ tính chất này, người ta lại phân chia chất sắt từ thành những nhóm khác nhau, mà cơ bản có 2 nhóm chất sắt từ: a) Sắt từ m ềm - Soft magnetic materials Sắt từ mềm, không phải là các chất mềm về mặt cơ học, mà "mềm" về phương diện từ (tức là dễ bị từ hóa và khử từ). Sắt từ mềm có đường trễ hẹp (lực kháng từ rất bé, chỉ cỡ dưới 10 2 Oe) nhưng lại có từ độ bão hòa rất cao, có độ từ thẩm lớn, nhưng từ tính lại dễ dàng bị mất đi sau khi ngắt từ trường ngoài. Hình vẽ dưới đây so sánh các chất từ mềm ở 2 phương diện là từ độ bão hòa và độ từ thẩm. TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX 24 Hình 8. So sánh các vật liệu từ mềm ở tần số từ trường ngoài 1 kHz [5]. Các chất từ mềm "truyền thống" đã biết là sắt non, ferrite Mn,Zn, Các chất sắt từ mềm được sử dụng trong các lõi nam châm điện, lõi biến thế, lõi dẫn từ , có nghĩa là sử dụng nó như vật dụng trong từ trường ngoài. Do vậy, đặc trưng mà người ta quan tâm đến nó là: tổn hao trễ và tổn hao xoáy. - Tổn hao trễ sinh ra do sự mất mát năng lượng trong quá trình từ hóa, được tính bằng diện tích c ủa đường cong từ trễ. Do vậy, vật liệu sắt từ mềm "xịn" có đường trễ càng hẹp càng tốt. - Tổn hao xoáy: sinh ra do các dòng Foucalt sinh ra trong trường xoay chiều làm nóng vật liệu, năng lượng này tỉ lệ thuận với bình phương tần số từ trường, tỉ lệ nghịch với điện trở suất của vật liệu. Điều này lý giải tại sao dù có phẩm chấ t rất cao, những lõi tôn Si chỉ có thể sử dụng trong từ trường tần số thấp (thường là 50-100Hz) do chúng có điện trở suất rất thấp, trong khi các ferrite lại sử dụng được trong kỹ thuật cao tần và siêu cao tần dù có phẩm chất kém hơn nhiều (vì chúng là gốm, có điện trở suất rất lớn, làm giảm tổn hao xoáy). Tuy nhiên, một loại vật liệu từ mềm mới đã kh ắc phục điều này (như hình vẽ trên là các vật liệu từ nanocrystalline như Fe-Si-B-Nb-Cu ). Chúng là các vật liệu có cấu trúc nano, có tính chất từ siêu mềm (có lực kháng từ cực nhỏ, độ từ thẩm rất cao, từ độ bão hòa cao), đồng thời lại có điện trở suất rất lớn (dù là các băng nền kim loại) do cấu trúc đặc biệt của nó nên có thể sử dụng ở các ứng dụng cao t ần cỡ từ kHz-MHz. Loại vật liệu này được phát hiện ở cuối thế kỷ 20, và đưọc coi là vật liệu từ mềm tốt nhất hiện này (ultrasoft magnetic materials), và là một chủ đề nghiên cứu mạnh của Trung tâm Khoa học Vật liệu, ĐHKHTN và Viện Vật lý Kỹ thuật (ĐHBKHN). Đặc biệt một số loại trong số các vật liệu này có thể sử dụng trong các môi trường khắ c nghiệt như chịu nhiệt độ cao (ứng dụng làm động cơ của máy bay phản lực do khả năng chịu nhiệt độ cao, ở Mỹ đã làm rất nhiều), sử dụng trong các môi trường ăn mòn như nước biển, kiềm b) Vật liệu sắt từ cứng (hard magnetic materials) Cũng tương tự như sắt từ mềm, từ "cứng" trong cái tên của vật liệu này không phả i do cơ tính cứng của nó. Ngược với sắt từ mềm, sắt từ cứng là vật liệu khó từ hóa và cũng khó bị khử từ (có nghĩa là từ tính có thể giữ được tốt dưới tác dụng của trường ngoài). Một ví dụ đơn giản của vật liệu từ cứng là các nam châm vĩnh cửu. Vật liệu từ cứng có lực kháng từ lớn (phải trên 10 2 Oe), nhưng chúng thường có từ độ bão hòa không cao. Tính "cứng" của vật liệu từ cứng đến từ tính dị hướng từ, liên quan đến năng lượng từ có được do tính đối xứng tinh thể của vật liệu. Tức là, thông thường các vật liệu từ cứng thường có cấu trúc tinh thể có tính đối xứng kém (bất đối xứng) ví dụ như tứ giác, hay lục giác Do khả năng giữ l ại từ tính, nên vật liệu từ cứng được dùng làm vật liệu giữ năng lượng (nam châm vĩnh cửu) và lưu trữ thông tin (ổ đĩa cứng, đĩa từ ). Nói đến khả năng tích trữ năng lượng, ta phải nhắc đến một thông số của vật liệu từ cứng là tích năng lượng từ (B.H) max (có đơn vị là đơn vị của mật độ năng lượng J/m 3 ), là năng lượng cực đại có khả năng tồn trữ trong một đơn vị thể tích vật thể. Để có (BH) max lớn, cần có lực kháng từ lớn, có từ độ cao và đường trễ càng lồi càng tốt. Đơn vị thường dùng của (BH) max là GOe, 1 MGOe=8 kJ/m 3 . Các nam châm vĩnh cửu truyền thống được sử dụng là ferrite từ cứng BaSr, hợp kim AlNiCo (khá đắt tiền) Thế hệ nam châm vĩnh cửu mới ra đời sau là các nam châm đất hiếm, mở đầu là các hợp chất RCo 5 (như SmCo 5 ) và sau đó là R 2 Fe 14 B như (Nd 2 Fe 14 B, Pr 2 Fe 14 B ), R thường ký hiệu để chỉ các nguyên tố đất hiếm. Bảng 2 liệt kê một số nam châm phổ biến. Bảng 2. Từ dư (B r ), lực kháng từ (H c ) và tích năng lượng từ (BH) max của một số nam châm. Vật liệu B r (T) H c (MA/m) (BH) max (kJ/m 3 ) Ferrite Sr 0,43 0,20 34 AlNiCo 5 1,27 0,05 44 AlNiCo 9 1,05 0,12 84 SmCo 5 0,95 1,3 176 Sm 2 Co 17 1,05 1,3 208 Nd 2 Fe 14 B 1,36 1,03 350 Nếu ta so sánh, có thể thấy nam châm vĩnh cửu R 2 Fe 14 B là loại tốt nhất (Trung Quốc là nước đứng đầu thế giới về thị phần nam châm đất hiếm với hơn 50% thị phần), nhưng thị phần nam châm trên thế giới phân bố như sau: - 54% là nam châm ferrite - 32% Nd 2 Fe 14 B - 14% là các loại khác Nam châm ferrite là các gốm ferrite từ cứng, có phẩm chất không cao nhưng có ưu điểm là chế tạo rất đơn giản, giá thành rất thấp. Còn nam châm Nd-Fe-B tuy phẩm chất rất tốt, nhưng lại có một số nhược điểm: - Giá thành cao (do chứa nhiều đất hiếm là các nguyên tố TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX 25 đắt tiền) - Dễ bị ôxi hóa do các nguyên tố đất hiếm có hoạt tính rất mạnh. Nếu chúng ta bỏ một nam châm đất hiếm ngoài không khí, chỉ một thời gian là chúng bị rã thành các bột. - Nhiệt độ Curie thấp (312 o C). Trong thời gian gần đây, công nghệ nano phát triển, dẫn đến sự ra đời của một loại nam châm từ cứng mới tổ hợp tính chất của 2 loại từ cứng và từ mềm, có thể khắc phục các điểm yếu của nam châm tốt nhất (nam châm đất hiếm), có giá thành hạ và cho phẩm chất cao hơn rất nhiều (như tính toán lý thuyết) nhưng chưa đạt được như dự đoán. Loại nam châm này gọi là nam châm tổ hợp nano hay nam châm trao đổi đàn hồi. 4. Siêu thuận từ (Superparamagnetic materials) Nếu như trước đây, người ta coi thuận từ là các chất có từ tính yếu và ít có khả năng ứng dụng thì gần đây, siêu thuận từ lại trở thành một "hot topic" trong từ học. Siêu thuận từ là gì? Ta hãy xem xét lại một chút về sắt từ. Một khái niệm cần biết trong sắt t ừ là "dị hướng từ tinh thể" K, đó là năng lượng định hướng liên quan đến sự định hướng của các mômen từ so với từ trường. Mỗi chất sắt từ có 1 trục dễ từ hóa và khó từ hóa. Năng lượng để quay các mômen từ từ trục khó đến trục dễ gọi là năng lượng dị hướng từ tinh thể, liên quan đến sự bất đối xứng về tinh th ể (hiểu một cách đơn giản nhất là năng lượng định hướng). Một vật sắt từ được cấu tạo bởi một hệ các hạt (thể tích V), các hạt này tương tác và liên kết với nhau. Giả sử nếu ta giảm dần kích thước các hạt thì năng lượng dị hướng KV giảm dần, nếu ta tiếp tục giảm thì đến một lúc nào đó KV<< kT, năng lượ ng nhiệt sẽ thắng năng lượng định hướng và vật sẽ mang hành vi của một chất thuận từ. Đó là siêu thuận từ. Các chất siêu thuận từ đang được quan tâm nghiên cứu rất mạnh, dùng để chế tạo các chất lỏng từ (Magnetic Fluid) dành cho các ứng dụng y sinh. Đối với vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, và có hành vi như chất thuận từ , nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như của chất sắt từ. Điều đó có nghĩa là, vật liệu sẽ phản ứng dưới tác động của từ trường ngoài nhưng khi ngừng tác động của từ trường ngoài, vật liệu sẽ không còn từ tính nữa, đây là một đặc điểm rất quan trọng khi dùng vật liệ u này cho các ứng dụng y sinh học. Hạt nanô từ tính dùng trong y sinh học cần phải thỏa mãn ba điều kiện sau: tính đồng nhất của các hạt cao, từ độ bão hòa lớn và vật liệu có tính tương hợp sinh học (không có độc tính). Tính đống nhất về kích thước và tính chất liên quan nhiều đến phương pháp chế tạo còn từ độ bão hòa và tính tương hợp sinh học liên quan đến bản chất của vật liệu. Trong t ự nhiên, sắt (Fe) là vật liệu có từ độ bão hòa lớn nhất tại nhiệt độ phòng, sắt không độc đối với cơ thể người và tính ổn định khi làm việc trong môi trường không khí nên các vật liệu như ô-xít sắt được nghiên cứu rất nhiều để làm hạt nanô từ tính. 5. Phản sắt từ - Antiferromagnetic Materials Ở phần Sắt từ, ta đã biết rằng các chất sắt từ là các chất có mômen từ nguyên tử và các mômen này tương tác với nhau thông qua tương tác trao đổi làm cho các mômen từ định hướng song song với nhau. Đó là tương tác trao đổi dương. Hình 9. Định hướng của các mômen từ của chất phản sắt từ [7]. Chất phản sắt từ thì ngược lại, chúng cũng có mômen từ nguyên tử nhưng tương tác giữa các mômen từ là tương tác trao đổi âm và làm cho các mômen từ định hướng phản song song với nhau (song song, cùng độ lớn nhưng ngược chiều) như hình vẽ 9. Sự định hướng phản song song này tạo ra 2 phân mạng từ. Mn và Cr là 2 kim loại phản sắt từ điển hình. Phản sắt từ là chất thuộc loại có trậ t tự từ. Nghiên cứu về phản sắt từ thường được tiến hành ở các màng mỏng (ví dụ các lớp kiểu bánh kẹp sắt từ-phản sắt từ) tạo thành hiệu ứng đường trễ dịch, hay exchange bias, ứng dụng trong các đầu đọc valse-spin trong đầu đọc của ổ đĩa cứng. Để nghiên cứu cấu trúc từ, người ta dùng kỹ thuật nhiễu xạ neutron, hạt không mang điện nhưng có mômen từ, các thông tin thu được qua sự phân tích về tương tác giữa mômen từ của neutron với các phân mạng từ. Nếu như chất phản sắt từ có 2 phân mạng từ đối song song và bù trừ nhau thì feri từ có cấu trúc gần giống như vậy. Feri từ cũng có 2 phân mạng từ đối song song, nhưng không có độ lớn như nhau nên không bù trừ hoàn toàn. Do vậy feri từ còn được gọi là các phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn. Ferrite là các feri từ điển hình. Chúng có hành vi gần giống với các chất sắt từ. III. KẾT LUẬN Từ học là một môn khoa học lâu đời và đến giờ vẫn là một chủ đề nóng trong khoa học và công nghệ trên thế giới do khả năng ứng dụng hết sức to lớn trong cuộc sống cũng như công nghệ. Bài viết này không phải là một bài báo khoa học, mà chỉ là một bài giới thiệu tóm t ắt và hết sức sơ lược về từ học dành TẠP CHÍ HTTP://WWW.VATLYVIETNAM.ORG TẬP XX, SỐ XX, NĂM XXXX 26 cho những người mới bắt đầu tìm hiểu về từ học. Ở Việt Nam, từ học cũng là một ngành phát triển mạnh trong vật lý và đến bây giờ đang thu hút rất đông đội ngũ nghiên cứu vật lý ở Việt Nam. Có thể kể đến 1 số nhóm rất mạnh như nhóm của GS. Nguyễn Châu ở Đại học Khoa học Tự nhiên (ĐHQGHN), nhóm của GS. Nguyễn Hữu Đức, Nguyễn Phú Thùy (Đại học Công nghệ, ĐHQGHN), nhóm của GS. Thân Đức Hiền (Viện Itims, ĐHBKHN), nhóm của GS. Nguyễn Hoàng Nghị (Viện Vật lý Kỹ thuật, ĐHBKHN), hay nhóm của GS. Nguyễn Xuân Phúc (Viện Khoa học Vật liệu, Viện KH&CN VN) Tuy nhiên, một điều đáng buồn là việc triển ứng dụng công nghệ vật liệu từ ở Việt Nam còn vô cùng nghèo nàn (do chúng ta chưa hề có công nghiệp về vật liệu) vì th ế các kết quả vẫn chủ yếu dừng lại ở các kết quả khoa học mà ít triển khai đại trà. Hi vọng thời gian tới sẽ thay đổi thực tế này với một đội ngũ những người làm nghiên cứu trở về từ nước ngoài. Lời cảm ơn Bài viết có sử dụng một số tư liệu tính toán và nghiên cứu của tác giả cùng với sự c ộng tác của các đồng nghiệp trong các nhóm nghiên cứu tại Đại học Quốc gia Hà Nội và Đại học Tổng hợp Glasgow. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://vi.wikipedia.org/wiki/V%E1%BA%ADt_li%E1%BB%8 7u_t%E1%BB%AB_c%E1%BB%A9ng [2] http://www.aacg.bham.ac.uk/magnetic_materials/history.htm [3] Serway Jewett, Physics for Scientists and Engineers, 7 th Ed., ISBN 0534408427, 2005. [4] Vương Văn Hiệp (và các tác giả khác), Báo cáo Hội nghị Vật lý Toàn quốc lần thứ 6, Hà Nội, 2005. [5] http://www.wtec.org/loyola/nano/06_03.htm [6] http://vi.wikipedia.org/wiki/Ph%E1%BA%A3n_s%E1%BA% AFt_t%E1%BB%AB . vật liệu siêu thuận từ, từ dư và lực kháng từ bằng không, và có hành vi như chất thuận từ , nhưng chúng lại nhạy với từ trường hơn, có từ độ lớn như của chất sắt từ. Điều đó có nghĩa là, vật. cong từ trễ (a) và nhiệt độ Curie (b) của chất sắt từ. Mỗi chất sắt từ có khả năng " ;từ hóa" (tức là chịu biến đổi về từ tính dưới tác động của từ trường ngoài) và khử từ (sự mất từ. nói về các loại vật liệu từ. Sự phân chia này dựa trên khả năng phản ứng của mỗi chất dưới tác dụng của từ trường ngoài. III. PHÂN LOẠI CÁC VẬT LIỆU TỪ 1. Vật liệu nghịch từ (Diamagnetic