Các nhà vật lí vật chất ngưng tụ yêu thích các giả hạt, và nay họ có thêm một thực thể mới để thèm khát: “orbiton”. Được dự đoán lần đầu tiên hồi một thập niên trước, orbiton là sự kích thích tập thể của các electron trong một chất rắn 1D hành xử giống hệt như một electron – với xung lượng góc quỹ đạo nhưng không có spin hay điện tích. Đồng thời hoàn tất tập hợp gồm ba giả hạt giống electron đã được dự báo là tồn tại trong chất rắn 1D, khám phá trên, do một đội nhà vật lí quốc tế thực hiện, có thể mang đến cái nhìn sâu sắc mới về nguồn gốc của sự siêu dẫn nhiệt độ cao.
Các giả hạt mang lại cho các nhà vật lí một sự mô tả cơ lượng tử tiện lợi của hành trạng tập thể của các electron và nguyên tử trong chất rắn. Có lẽ ví dụ nổi tiếng nhất là “lỗ trống”, khái niệm mô tả sự vắng mặt của electron trong chất bán dẫn theo kiểu một hạt giống electron tích điện dương.
Jeroen van den Brink (trái) và Krzysztof Wohlfeld (giữa) thuộc Viện IFW Dresden đang thảo luận lí thuyết orbiton với Thorsten Schmitt. (Ảnh: Philip Dera)
Ba dành cho một
Thỉnh thoảng, một hệ có thể được mô tả theo vài giả hạt khác nhau, mỗi giả hạt biểu hiện một tính chất nhất định của những hạt “thực tế” thành phần. Ví dụ, một electron trong chất rắn có spin nội, điện tích và xung lượng góc quỹ đạo. Trong một số tình huống đặc biệt, một hệ electron có thể được mô tả theo ba giả hạt, mỗi giả hạt chỉ có một trong những tính chất cơ bản này.
Điều này được minh họa đẹp đẽ trong các thí nghiệm hồi giữa thập niên 1990, thực hiện trên SrCuO2 và Sr2CuO2, trong đó các electron bị giam giữ dọc theo những chuỗi 1D kéo dài trong một mạng tinh thể. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kĩ thuật quang phổ phát quang phân giải cao để lấy một electron độc thân ra khỏi mạng. Trong không gian còn lại, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy sự hình thành của những giả hạt biểu hiện spin và điện tích – tương ứng là spion và holon – họ thấy chúng chuyển động tự do trong mạng tinh thể.
Kết quả bất ngờ
Việc quan sát giả hạt thứ ba – orbiton, hay giả hạt thể hiện mức độ tự do quỹ đạo của electron – được xem là khá khó khăn. Tuy nhiên, nay Thorsten Schmitt thuộc Viện Paul Scherrer tại Nguồn Sáng Thụy Sĩ ở Villigen và một nhóm đồng nghiệp quốc tế vừa lập kì công sử dụng công nghệ tán xạ tia X phi đàn hồi cộng hưởng mới nhất. Kĩ thuật này cung cấp cường độ và độ phân giải đủ cao để tách riêng từng electron trong một mạng 1D. “Chúng tôi rất bất ngờ là đã có thể nhìn thấy nó,” Schmitt nói.
Trong thí nghiệm của họ, Schmitt và các đồng nghiệp đã sử dụng chất liệu bia Sr2CuO2, chất chứa một chuỗi 1D gồm những nhóm đồng oxide. Trong những nhóm này, trạng thái cơ bản của các electron ngoài cùng sắp thẳng hàng với các spin xen kẽ, nhưng chúng có thể trở nên bị kích thích lên những trạng thái khác nhau qua sự tán xạ của một photon tia X. Tại chỗ photon tia X tới, một electron chuyển định hướng spin với láng giềng của nó, do đó tạo ra một thành domain tại đó sự sắp xếp spin xen kẽ bị gián đoạn. Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy hai năng lượng kích thích rời rạc: một liên quan với sự nhiễu loạn cục bộ này của sự sắp xếp spin – spinon – và một liên quan với sự phản ứng tập thể của tất cả các electtron trong chuỗi đồng oxide, đó là orbiton.
“Cái thật sự khiến tôi bất ngờ là [hiện tượng] xảy ra giống hệt như trường hợp phân tách spin-điện tích,” phát biểu của Giniyat Khaliullin, một nhà lí thuyết tại Viện Nghiên cứu Vật lí Chất rắn Max Planck ở Stuttgart, Đức. “Thật vậy, số lượng tử quỹ đạo của một electron tương ứng với hình dạng không gian [của electron đó], và đông đảo mọi người tin rằng trong những hệ thực các orbital kết hợp mạnh với mạng và do đó không thể chuyển động kết hợp. Có vẻ như là chúng có thể, và chúng thật sự hành xử giống như một giả hạt thực thụ, một orbiton, mang thông tin về hình dạng không gian của các electron.”
Schmitt tin rằng kiến thức về những giả hạt orbiton có thể giúp các nhà vật lí tiến tới mục tiêu tìm hiểu sự siêu dẫn nhiệt độ cao, hiện tượng chủ yếu phát sinh trong những chất liệu chứa đồng oxide. “Trong sự siêu dẫn nhiệt độ cao, nhiều tương tác trong số này là rất quan trọng,” ông nói. “Đó là một công việc rất khó khăn – trong 25 năm qua, các nhà nghiên cứu đã cố gắng tìm hiểu sự siêu dẫn nhiệt độ cao, và họ vẫn chưa hiểu được nó. Cho nên, bất kì chi tiết nào mà người ta tìm thấy, cho dù trong những hệ đơn giản hơn, vẫn quan trọng để dẫn tới sự tiến bộ.”
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.
Trần Nghiêm – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
