Mô phỏng graphene bằng những nguyên tử cực lạnh

Một tính chất điện tử quan trọng của graphene lần đầu tiên đã được mô phỏng bằng những nguyên tử cực lạnh. Thí nghiệm do các nhà vật lí ở Thụy Sĩ thực hiện, họ đã tái tạo “các điểm Dirac” đặc trưng của graphene trong một mạng lưới tổ ong 2D tạo ra bởi những chùm laser giao nhau. Mạng lưới gồm những nguyên tử potassium giữ vai trò electron ở graphene.

Hình dạng của mạng lưới và tương tác giữa các nguyên tử có thể điều khiển bằng cách điều chỉnh laser và từ trường ngoài. Hệ quả là kĩ thuật có thể dùng để nghiên cứu cái xảy ra với những tính chất điện tử của graphene nếu như cấu trúc của nó bị biến đổi – đồng thời mô phỏng những hệ từ tính nhất định vốn khó nghiên cứu.

Đồ thị bên dưới thể hiện sự phân bố xung lượng đo được của các nguyên tử trong mạng quang. Mạng ở bên trái có hình tổ ong, còn hai mạng kia bị bóp méo theo hai kiểu khác nhau. Hình vẽ phía trên thể hiện cấu trúc dải suy luận ra từ dữ liệu. Hai điểm Dirac xuất hiện ở mạng tổ ong, trong mạng bị biến dạng ở giữa có một điểm Dirac và mạng ở bên phải thì có dải khe khác không. (Ảnh: Tilman Esslinger)

Tiến tới điểm Dirac

Là một mạng lưới tổ ong 2D gồm những nguyên tử carbon chỉ dày một nguyên tử, graphene có một số tính chất điện tử độc nhất vô nhị phát sinh do cấu trúc mạng của nó. Đặc biệt, graphene là một chất bán dẫn “khe zero”, nghĩa là dải electron hóa trị và dải electron dẫn của nó vừa vặn tiếp xúc với nhau – trái với những chất bán dẫn thông thường, chúng có một khe năng lượng giữa các dải. Nơi hai dải tiếp xúc nhau, mối liên hệ giữa năng lượng và xung lượng của các electron là giống với photon, với các electron chuyển động ở một tốc độ rất cao gần tới tốc độ ánh sáng. Hành trạng này được mô tả bởi phương trình Dirac cho các electron tương đối tính, đó là nguyên do phần này của cấu trúc dải của graphene được gọi là điểm Dirac.

Vào năm 2011, các nhà vật lí tại trường Đại học Hamburg ở Đức đã làm chủ được việc tạo ra mạng lưới quang kiểu tổ ong đầu tiên, trong đó họ cho chứa đầy các nguyên tử rubidium-87. Tuy nhiên, chúng không bền để thấy được bất kì bằng chứng nào cho các điểm Dirac. Nay Tilman Esslinger cùng các đồng sự tại Viện Quang học Lượng tử tại trường ETH Zurich đã tạo ra một mạng quang kiểu tổ ong chứa những nguyên tử potassium-40 và đã tìm thấy bằng chứng cho hai điểm Dirac.

Phép đo này bắt đầu với một chất khí gồm vài trăm nghìn nguyên tử potassium-40 được làm lạnh xuống khoảng 100 nK bằng cách cho phép những nguyên tử giàu năng lượng nhất thoát ra ngoài, chỉ để lại những nguyên tử hết sức lạnh lẽo. Sau đó, một mạng quang hình vuông được tạo ra bởi hai chùm laser có cùng bước sóng giao nhau 90^o và chồng lên nhau. Sau đó chiếu một chùm laser thứ ba có bước sóng hơi lệch một chút song song với một trong hai chùm tia để tạo ra một sóng dừng, để cho vị trí tương đối của mạng vuông và sóng dừng có thể điều khiển bằng cách điều chỉnh bước sóng của chùm tia thứ ba. Bố trí như vậy cho phép mạng được điều khiển với nhiều kiểu dạng khác nhau, trong đó có dạng hình tổ ong.

Một mạng như thế được trông đợi là có hai điểm Dirac phân biệt, đội khoa học đã xác nhận bằng cách cho tăng tốc các nguyên tử bằng một gradient từ trường và sau đó đo quỹ đạo của chúng. Phép đo quỹ đạo được thực hiện bằng cách tắt các laser và quan sát các electron tự do bay qua buồng chân không. Các nhà vật lí tìm thấy rằng khi các nguyên tử có những giá trị xung lượng nhất định, chúng có thể chuyển động dễ dàng giữa dải hóa trị và dải dẫn – dấu hiệu mách bảo của hai điểm Dirac.

Di chuyển dễ dàng giữa các dải

Sau đó, đội khoa học chuyển sự chú ý của họ sang mối liên hệ giữa sự đối xứng của mạng và sự tồn tại của các điểm Dirac. Bằng cách làm biến dạng mạng tổ ong, các nhà nghiên cứu có thể làm cho các điểm Dirac dịch chuyển, hợp nhất và thậm chí biến mất. Vì tính chất điện tử của graphene và những chất liệu kiểu graphene phụ thuộc vào bản chất của các điểm Dirac, nên những mô phỏng lượng tử như vậy có thể hướng đến những chất liệu mới có những tính chất điện tử có tiềm năng hữu dụng. “Sử dụng phương pháp này, người ta có thể mô phỏng tính chất điện tử của các chất liệu từ lâu trước khi chúng có thể được hiện thực hóa trên phương diện vật lí,” Esslinger giải thích.

Đội khoa học hiện đang tìm cách làm giảm nhiệt độ của mạng, như thế có thể cho phép sử dụng nó để nghiên cứu các hệ từ tính ‘khó bảo’ xuất hiện trong những mạng hình tam giác.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.

KaDick – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com