Vật liệu từ tính then chốt để tạo nên công nghệ 6G, làm tăng thành công tốc độ sản xuất lên 30 lần

Các nhà khoa học vật liệu đã phát triển thành công phương pháp sản xuất epsilon sắt oxit và chứng minh tiềm năng cho các thiết bị viễn thông thế hệ mới. Nhờ vào các thuộc tính từ tính đặc biệt, nhu cầu về loại vật liệu này có thể tăng cao trong sản xuất các thế hệ thiết bị viễn thông 6G cũng như các thiết bị lưu trữ dữ liệu từ tính. Công trình này được đăng trong tạp chí Journal of Materials Chemistry C, một tạp chí xuất bản bởi Roygal Society of Chemistry.

Nhờ vào các thuộc tính từ tính đặc biệt, nhu cầu về loại vật liệu này có thể tăng cao trong sản xuất các thế hệ thiết bị viễn thông 6G cũng như các thiết bị lưu trữ dữ liệu từ tính.

Nhu cầu về loại vật liệu này có thể tăng cao trong sản xuất các thế hệ thiết bị viễn thông 6G.

Sắt oxit là một trong những oxit phổ biến nhất trên Trái đất. Nó tồn tại trong tự nhiên dưới dạng khoáng thạch hematite (alpha sắt oxit, α-Fe₂O₃). Một biến thể bền và được sử dụng nhiều hơn là maghemite (hay còn gọi là biến thể gamma, γ-Fe₂O₃). Biến thể đầu tiên được sử dụng trong công nghiệp như một chất nhuộm đỏ, biến thể gamma được dùng trong các ứng dụng lưu trữ dữ liệu sử dụng từ tính. Hai biến thể này khác nhau không chỉ trong cấu trúc tinh thể (alpha sắt oxit có cấu trúc lục giác trong khi gamma sắt oxit có cấu trúc khối lập phương) mà còn trong các thuộc tính từ tính.

Ngoài các dạng sắt oxit trên, có các biến thể hiếm gặp hơn như epsilon-, beta-, zeta-, thậm chí là dạng thủy tinh. Biến thể thú vị nhất là epsilon sắt oxit hay ε-Fe₂O₃. Biến thể này có sức kháng từ cực lớn, đạt 20 đơn vị kOe ở nhiệt độ phòng, tương đương với các nam châm sử dụng nguyên tố hiếm. Thêm vào đó, vật liệu này hấp thu bức xạ từ điện từ ở khoảng sub-terahertz (100-300Ghz) qua hiệu ứng cộng hưởng sắt từ tự nhiên. Tần số cộng hưởng cũng là một tiêu chí khiến vật liệu này trở nên phù hợp trong các ứng dụng thiết bị viễn thông - chuẩn 4G sử dụng tần số ở mức megahertz còn 5G dùng ở tần số hàng chục gigahertz. Thế hệ 6G được dự định sử dụng tần sóng sub-terahertz, ra mắt vào khoảng 2030.

Vật liệu này phù hợp sử dụng trong sản xuất các đơn vị chuyển mạch hay các mạch hấp thụ sóng ở tần số nói trên. Ví dụ, có thể tạo ra các loại sơn có khả năng hấp thụ sóng điện từ giúp bảo vệ phòng ở khỏi các tín hiệu gây nhiễu bằng cách dùng bột nano ε-Fe₂O₃. Vật liệu này cũng có thể được dùng trong các thiết bị thu sóng 6G.

Biến thể này có sức kháng từ cực lớn, thêm vào đó, vật liệu này hấp thu bức xạ từ điện từ ở khoảng sub-terahertz (100-300Ghz).

Epsilon sắt oxit là một dạng sắt oxit rất hiếm và khó thu hoạch. Ngày nay, nó chỉ có thể được tổng hợp với lượng rất nhỏ và quá trình này mất cả tháng trời. Đương nhiên, điều này cản trở khả năng ứng dụng rộng rãi vật liệu tuyệt vời này. Các tác giả nghiên cứu đã phát triển một phương pháp tổng hợp ε-Fe2O3 nhanh hơn 30 lần, chỉ trong một ngày có thể đạt được lượng sản phẩm nhiều hơn. Kĩ thuật này rất dễ thực hiện, không tốn kém và có thể dễ dàng áp dụng trong công nghiệp, với các nguyên liệu chỉ cần sắt và silicon - hai nguyên tố sẵn có nhất trên Trái đất.

“Mặc dù epsilon sắt oxit được phát hiện ở dạng tinh khiết cũng đã lâu vào năm 2004, nó vẫn chưa được ứng dụng trong công nghiệp do quá trình tổng hợp phức tạp. Chúng tôi đã tìm ra cách đơn giản hóa công nghệ này,” theo Evgeny Gorbachev, một sinh viên Ph.D tại ban nghiên cứu Khoa học Vật liệu tại Đại học Quốc gia Moscow và là tác giả của nghiên cứu.

Vật liệu mới này mở ra cơ hội tiếp cận các tần sóng cao hơn (hàng trăm gigahertz).

Chìa khóa thành công trong việc ứng dụng vật liệu đột phá này là các nghiên cứu về thuộc tính vật lý của nó. Nếu không có các nghiên cứu chuyên sâu, vật liệu này có thể đã bị lãng quên trong nhiều năm nữa, một điều thường thấy trong lịch sử khoa học. Nhờ nhóm các nhà khoa học tại Đại học Quốc gia Moscow, những người đã tổng hợp được hợp chất này và các nhà vật lý tại MIPT đã nghiên cứu kĩ lưỡng về vật liệu mà mới có thành công ngày hôm nay.

“Các vật liệu với tần số cộng hưởng sắt từ cao có tiềm năng  ứng dụng thực tiễn lớn. Ngày nay, các công nghệ sử dụng tần sóng terahertz đang bùng nổ: Internet of Things, viễn thông tốc độ cao, các thiết bị khoa học chuyên dụng và thế hệ thiết bị y tế mới. So với chuẩn 5G mới trở nên phổ biến năm ngoái, hoạt động trên tần sóng hàng chục gigahertz, vật liệu mới này mở ra cơ hội tiếp cận các tần sóng cao hơn (hàng trăm gigahertz), có nghĩa là chúng ta có thể tiến tới các chuẩn 6G hoặc cao hơn. Chúng tôi rất sẵn lòng chia sẻ kiến thức này với các kỹ sư để chúng ta có thể sớm thấy các thiết bị 6G ra mắt”, theo giáo sư Liudmila Alyabyeva, Ph.D, nhà nghiên cứu tại phòng thí nghiệm MIPT tại công ty Terahertz Spectroscopy nơi các nghiên cứu về tần sóng terahertz được thực hiện.