Sơ đồ nguyên mẫu thiết bị mà Wiedemann và Franz đã dùng để đo độ dẫn nhiệt của các kim loại cơ bản, trích từ bài báo hạt giống năm 1853 của họ.
Một nhóm nghiên cứu quốc tế lần đầu tiên đã đo được hiện tượng chia tách spin-điện tích trong một khối chất rắn. Họ còn nhận thấy chất liệu đó còn vi phạm định luật Wiedemann–Franz đã khẳng định tính đúng đắn trong hơn 150 năm qua.
Định luật Wiedemann–Franz phát biểu rằng tỉ số của độ dẫn nhiệt và độ dẫn điện của một kim loại đối với những kim loại khác nhau là gần bằng nhau ở nhiệt độ như nhau. Thỉnh thoảng, người ta đã biết gián tiếp rằng các kim loại 1D – những chuỗi chỉ dày một nguyên tử - rất khác với các kim loại 2D và 3D. Các nhà nghiên cứu, đứng đầu là Nigel Hussey tại trường Đại học Bristol, Anh quốc, đang tìm cách kiểm tra một tiên đoán do các nhà vật lí Charles Kane và Matthew Fisher nêu ra hồi năm 1996; họ đề xuất một sự vi phạm của định luật Wiedemann–Franz nếu các electron bị hạn chế với những chuỗi nguyên tử đơn lẻ.
Ở thang bậc 1D, các electron tách thành hai thành phần riêng biệt hay hai giả hạt – một “spinon” mang spin nhưng không mang điện và một “holon” mang điện không mang spin. Hiệu ứng này – gọi là sự chia tách spin-điện tích – được suy luận ra từ nghiên cứu các chất lỏng Fermi và chất lỏng Tomonaga–Luttinger. Các electron trong một kim loại 3D có thể mô tả là một chất lỏng Fermi có các hiệu ứng của tương tác tĩnh điện – hay tương tác Coulomb – giữa các electron, nhưng trong đó tác dụng của những hiệu ứng đó có thể bỏ qua được. Nhưng việc hạn chế các electron với những “dây lượng tử” 1D mang lại một chất lỏng Tomonaga–Luttinger, trong đó các tương tác Coulomb quan trọng hơn nhiều. Trong trường hợp này, sự phân chia spin-điện tích xảy ra, làm cho spin và điện tích truyền theo những hướng khác nhau với vận tốc khác nhau. Một trong những kết quả bất ngờ nhưng quan trọng của tiên đoán của Kane và Fisher là tỉ số của độ dẫn nhiệt và độ dẫn nhiệt có thể nhạy với sự chia tách spin-điện tích này.
Đồng thiếc tía
Hussey giải thích rằng trong khi hành trạng khác thường của sự chia tách spin-điện tích được trông đợi xảy ra trong một chất 1D thuần khiết, thì trong một chất rắn 3D phức tạp luôn luôn có sự kết hợp tàn dư giữa những chuỗi nguyên tử đơn lẻ. Đây là một nguyên do lí giải, kể từ tiên đoán năm 1996, chỉ tới hiện tại thì một chất rắn thích hợp – giả-một-chiều Li0.9Mo6O17, gọi là đồng thiếc tía – mới được tìm thấy. Bên trong khối đồng thiếc tía, có những dây dẫn kim loại hay những chuỗi nguyên tử chạy qua một ma trận cách điện. Sự kết hợp bên trong những chuỗi nguyên tử đó bị hạn chế đến mức các electron bị giam cầm hiệu quả với từng chuỗi đơn – vì thế tạo ra một thế giới 1D bên trong phức hợp 3D.
Ảnh minh họa spinon và holon chuyển động như thế nào khi chúng gặp phải một tạp chất trong chuỗi nguyên tử. Holon bị phản xạ, còn spinon chui hầm qua. Vì thế nhiệt thì truyền đi, còn điện tích thì không. (Ảnh: Nicholas Wakeham và Nigel Hussey, Đại học Bristol)
Các nhà nghiên cứu đã đo độ dẫn qua chất liệu bằng cách sử dụng dòng điện. “Các chuỗi nguyên tử cách nhau vài angstrom và nhiều chuỗi sẽ chồng lấn lên các orbital điện tử. Sự kết hợp giữa các chuỗi là yếu, vì thế các electron chỉ rất thỉnh thoảng mới có thể nhảy qua chúng”, Hussey giải thích.
Sự sai lệch kịch tính với định luật Wiedemann–Franz xảy ra ở đồng thiếc tía vì khi một holon đi qua một tạp chất trong chuỗi nguyên tử, chuyển động của nó bị phản xạ - nghĩa là, nó không thể đi vòng hoặc đi qua tạp chất. Nhưng spinon thì có thể chui hầm qua tạp chất và sau đó tiếp tục đi theo chuỗi. Do spinon mang nhiệt và holon mang điện tích, nên nhiệt được dẫn dễ dàng dọc theo chuỗi, nhưng điện tích thì không. Một hiệu ứng tương tự xảy ra khi các spinon hoặc holon va chạm với nhau. Cả hai đều gây ra một sự vi phạm định luật Wiedemann–Franz lớn dần khi nhiệt độ giảm dần. Thật thú vị, Hussey cho biết họ đang sử dụng sự vi phạm của định luật Wiedemann–Franz ở đồng thiếc tía “làm quỳ tím” để thử kích cỡ hiệu dụng của hệ giả 1D. “Chúng tôi thật bất ngờ khi định luật này bị vi phạm quá đẹp mắt trong trường hợp này”.
Dẫn nhiệt tốt bất ngờ khi đặt trong từ trường
“Có lẽ trước nay đã có hàng tá báo cáo về sự chia tách spin-điện tích, nhưng đa phần trong số đó là ở những dây hoàn toàn 1D hoặc dây nano hoặc trên bề mặt của những hệ dạng khối”, Hussey nói. “Có thể nói đây là lần đầu tiên hiệu ứng xảy ra ở sâu bên trong một khối chất rắn 3D. Nhưng bước rẽ từ trường hợp cơ bản là 1D sang trạng thái 3D này chưa thật sự được hiểu rõ và đó là cái chúng tôi hiện đang khảo sát”.
Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy khi họ đặt đồng thiếc tía trong một từ trường, nó dẫn nhiệt tốt như đồng vậy. “Chúng tôi thật sự bất ngờ thấy hiệu ứng này trong khi bạn nghĩ một chất liệu 1D là một chất dẫn rất nghèo. Nhưng khi đặt trong một từ trường, đồng thiếc tía dẫn nhiệt tốt hơn 100.000 lần so với trông đợi. Chúng thật sự không biết vì sao nhiệt được dẫn hiệu quả như vậy trong từ trường và đây là một khía cạnh khác chúng tôi sẽ khảo sát”, Hussey nói. Ông còn cho biết kết quả bất ngờ này có có thể có những ứng dụng công nghệ tiềm năng.
Hussey và đội của ông hiện đang nghiên cứu tác dụng dẫn nhiệt cao ở đồng thiếc tía, đồng thời khảo sát một số chất dẫn hữu cơ cũng ở dạng chất liệu khối tác dụng giống như chất rắn 1D.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Communications.
Nguồn: physicsworld.com
