TS Trịnh Thị Lý trình bày báo cáo tổng kết đề tài trước Hội đồng nghiệm thu ngày 18/6/2026. Ảnh: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM.

Không phải mọi bước thiết kế vật liệu đều bắt đầu ở phòng chế tạo. Có những câu hỏi cần giải trước trên máy tính: nếu mạng tinh thể bị kéo hoặc nén rất nhẹ, dòng điện sẽ đổi ra sao?

TS Trịnh Thị Lý, giảng viên Bộ môn Vật lý Tin học, Khoa Vật lý - Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia TP.HCM, cùng cộng sự đã khảo sát câu hỏi ấy trên cobalt có cấu trúc lục giác đóng chặt. Kết quả cho thấy ở mức biến dạng nén 0,5%, độ dẫn Hall dị thường đạt cực đại và tăng đến 24% so với trạng thái chưa biến dạng. Đây là kết quả tính toán trên mô hình vật liệu, chưa phải hiệu suất của một linh kiện đã chế tạo.

Dòng điện rẽ ngang trong vật liệu từ

Trong hiệu ứng Hall thông thường, điện tích đang chuyển động bị từ trường làm lệch sang một phía, tạo ra điện áp theo phương ngang. Với vật liệu sắt từ, dòng điện ngang còn có thể xuất hiện do từ tính nội tại và tương tác spin - quỹ đạo của electron. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng Hall dị thường.

Độ lớn của hiệu ứng phụ thuộc mạnh vào cấu trúc điện tử. Thay đổi nhỏ trong cách sắp xếp nguyên tử có thể làm các dải năng lượng dịch chuyển, kéo theo sự thay đổi của dòng Hall. Khả năng điều khiển ấy được quan tâm trong spintronics, lĩnh vực khai thác cả điện tích lẫn spin của electron để hướng tới bộ nhớ, cảm biến và linh kiện mới.

Một hướng chế tạo màng mỏng nano cho linh kiện spintronics đã tập trung vào khâu tạo vật liệu. Công trình của nhóm TS Trịnh Thị Lý đứng ở bước khác: dùng tính toán để xác định trước tác động của biến dạng cơ học tới khả năng vận chuyển điện tử.

Thử kéo và nén cobalt trên máy tính

Nhóm khảo sát cobalt hcp trong dải biến dạng hai trục từ nén 2% đến kéo 2%, đồng thời giữ thể tích ô mạng không đổi. Mô phỏng nguyên lý thứ nhất được dùng để tính cấu trúc điện tử từ cơ học lượng tử. Sau đó, mô hình tight-binding dựa trên hàm Wannier giúp tính độ dẫn Hall dị thường trong không gian xung lượng.

Sơ đồ phép đo hiệu ứng Hall với hai loại hạt tải điện; không phải kết quả mô phỏng của nhóm. Đồ họa: Sjoerd Terlouw/Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.

Kết quả không đi theo một đường thẳng. Độ dẫn Hall tăng khi cobalt được nén nhẹ, đạt cực đại ở mức -0,5%, rồi suy giảm nhanh hơn khi lực nén lớn hơn. Ở phía kéo giãn, mức biến đổi diễn ra theo nhịp khác. Vì vậy, không thể suy đơn giản rằng càng nén hoặc càng kéo thì hiệu ứng càng mạnh.

Nút thắt nằm gần mức năng lượng Fermi, vùng quyết định nhiều tính chất vận chuyển của electron. Biến dạng làm các điểm “né giao nhau” giữa những dải năng lượng dịch chuyển, phân bố lại các vùng có độ cong Berry lớn và thay đổi độ dẫn Hall nội tại. Có thể hình dung bản đồ chỉ xê dịch ít, nhưng tuyến electron có khả năng đi qua đã khác.

Ba khái niệm để đọc kết quả

- Độ dẫn Hall dị thường: đại lượng mô tả đáp ứng dòng điện theo phương ngang trong vật liệu có từ tính.

- Mức năng lượng Fermi: mốc năng lượng có vai trò quyết định đối với các electron tham gia dẫn điện.

- Độ cong Berry: đặc trưng hình học của trạng thái lượng tử trong không gian xung lượng; sự phân bố của nó liên quan trực tiếp tới thành phần nội tại của độ dẫn Hall dị thường.

Tính toán để giảm bớt phép thử vật liệu

Giá trị thực tế của mô phỏng nằm ở khả năng sàng lọc. Trước khi chế tạo nhiều mẫu với trạng thái ứng suất khác nhau, nhóm có thể dùng mô hình để xác định vùng tham số đáng tập trung. Cách làm chưa thay thế thí nghiệm, nhưng giúp đặt ra giả thuyết có thể đo kiểm và giảm số phương án thử mù.

Đề tài đã tạo một mô-đun tính độ dẫn Hall dị thường tích hợp trong chương trình bphase. Nhóm cũng công bố bài báo về cobalt trên IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering và tham gia đào tạo một học viên cao học hoàn thành luận văn. Hội đồng nghiệm thu cấp Đại học Quốc gia TP.HCM đã thông qua kết quả vào tháng 6/2026.

Bài báo có ba tác giả: Trịnh Thị Lý đứng tên đầu, Nguyễn Bùi Trung Kiên là đồng tác giả và Đỗ Đức Cường là tác giả liên hệ. TS Trịnh Thị Lý đồng thời là chủ nhiệm đề tài, nhưng kết quả cần được nhìn nhận là sản phẩm của nhóm, không phải thành tựu riêng của một cá nhân.

Nghiên cứu cobalt nối tiếp một công bố năm 2024 của ba tác giả về sắt alpha. Trong mô hình sắt, biến dạng kéo 2% làm độ dẫn Hall dị thường tăng hơn 30%, đạt 929 Ω⁻¹cm⁻¹. Hai vật liệu đáp ứng khác nhau, nhưng cùng đặt ra câu hỏi: có thể dùng biến dạng đàn hồi như một “núm điều chỉnh” cấu trúc điện tử hay không.

Ở các nhánh công nghệ khác, mảng trở nhớ cho phần cứng AI tiết kiệm năng lượng tập trung vào lưu trữ và xử lý dữ liệu; xúc tác cobalt - nickel - sắt cho điện phân nước hướng tới giảm lượng kim loại mà vẫn giữ hiệu năng. Các công trình khác mục tiêu, song đều cho thấy giá trị của việc hiểu vật liệu ở cấp vi mô.

Hội đồng nghiệm thu đề tài nghiên cứu hiệu ứng Hall dị thường của vật liệu sắt từ bằng mô phỏng nguyên lý thứ nhất. Ảnh: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM.

Còn xa một linh kiện thương mại

Con số 24% cần được đặt đúng phạm vi. Đây là độ dẫn Hall dị thường thu được từ mô phỏng cobalt tinh thể lý tưởng dưới biến dạng có kiểm soát. Vật liệu thật còn chịu tác động của nhiệt độ, khuyết tật, tạp chất, bề mặt, chiều dày và khả năng duy trì ứng suất khi chế tạo.

Nghiên cứu chưa báo cáo mẫu cobalt được kéo nén rồi đo thực nghiệm, cũng chưa tạo ra bộ nhớ, cảm biến hay chip spintronics. Bước tiếp theo là chế tạo mẫu, xác nhận mức biến dạng và đo xem xu hướng tính toán có giữ được trong điều kiện thực hay không. Nếu không tương thích, mô hình phải được điều chỉnh.

Hồ sơ chuyên môn của Trường Đại học Khoa học Tự nhiên xác nhận TS Trịnh Thị Lý có học vị tiến sĩ, giảng dạy mô hình và mô phỏng, tính toán cấu trúc điện tử; hai hướng nghiên cứu chính là vật liệu từ và khuyết tật trong chất bán dẫn. Vị trí của bà trong công trình lần này vì thế nằm rõ ở năng lực nối vật lý nền tảng với một bài toán thiết kế vật liệu có thể kiểm chứng.

Giá trị trước mắt chưa phải lời hứa về con chip mới. Kết quả chỉ ra một mức biến dạng cụ thể, cơ chế lượng tử có thể truy vết và công cụ tính toán để kiểm tra, mở rộng. Khoa học vật liệu tiến về phía ứng dụng bằng cách thu hẹp vùng chưa biết, rồi trao cho thực nghiệm một mục tiêu đủ rõ để đo.