Các electron siêu dẫn vừa nặng vừa nhanh

Một đội khoa học tại trường Đại học Princeton vừa công bố làm thế nào các electron chuyển động trong những chất rắn nhất định có thể hành xử như thể chúng nặng gấp hàng nghìn lần các electron tự do, nhưng đồng thời tác dụng như những chất siêu dẫn tốc độ cao.

Việc quan sát những sự thay đổi có vẻ mâu thuẫn này ở các tính chất electron là cái thiết yếu để tìm hiểu làm thế nào những chất liệu nhất định trở nên siêu dẫn, trong đó các electron có thể chảy đi mà không bị cản trở. Những chất liệu như thế có thể làm tăng đáng kể hiệu quả của các mạng lưới điện và tăng tốc hoạt động của máy vi tính.

Khái niệm electron “nặng” có vẻ phản trực giác. Những hạt nhỏ xíu này di chuyển trong các chip silicon để xử lí thông tin nhanh chóng trong các linh kiện kĩ thuật số, và chúng chảy dễ dàng qua những sợi dây đồng mang dòng điện đến chiếc đèn trên bàn của bạn. Nhưng nghiên cứu ở Princeton vừa hé lộ rằng một quá trình khó-đo gọi là sự vướng víu lượng tử xác định khối lượng của các electron chuyển động trong một tinh thể và việc điều chỉnh tinh vi sự vướng víu này có thể làm biến đổi mạnh các tính chất của một chất liệu.

Khi làm lạnh những chất rắn nhất định xuống nhiệt độ rất thấp so với nhiệt độ phòng thì các electron đồng bóng này thu lấy khối lượng, tác dụng giống hệt như những hạt nặng hơn nhiều. Thật bất ngờ, việc làm lạnh thêm nữa đến gần độ không tuyệt đối biến những chất rắn này trở nên siêu dẫn, trong đó các electron, bất chấp sự nặng nề của chúng, tạo ra một loại chất lỏng hoàn hảo có thể chảy mà không gây hao phí chút điện năng nào.

Nặng nhưng vẫn nhanh! (Ảnh: Nhóm Yazdani)

Trong một nghiên cứu đăng trên số ra ngày 14/6 của tạp chí Nature, một đội khoa học ở Princeton, trong đó có các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos (LANL) và trường Đại học California-Irvine, đã sử dụng ảnh chụp trực tiếp của các sóng electron trong một tinh thể. Các nhà nghiên cứu không những thấy các electron thu khối lượng mà còn biết rằng các electron nặng thật ra là những vật ghép gồm hai dạng electron vướng víu. Sự vướng víu này phát sinh từ các quy tắc của cơ học lượng tử, chúng chi phối cách những hạt rất nhỏ hành xử và cho phép các hạt bị vướng víu hành xử khác với những hạt không vướng víu. Kết hợp các thí nghiệm và mô hình lí thuyết, nghiên cứu trên là nghiên cứu đầu tiên cho thấy các electron nặng xuất hiện như thế nào từ sự vướng víu như thế.

Các quan sát thực hiện từ hơn 30 năm qua cho biết các electron trong những chất rắn nhất định hành xử giống như những hạt có khối lượng gấp hàng trăm đến hàng nghìn lần khối lượng của các electron chuyển động tự do trong chân không. Tuy nhiên, cho đến nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể hiểu làm thế nào điều này xảy ra và họ thiếu các công cụ để khảo sát mối liên hệ giữa quá trình này và sự siêu dẫn của các electron nặng.

Nghiên cứu mới công bố có được sau vào năm bố trí các điều kiện thí nghiệm chính xác cần thiết để hình dung ra những electron nặng này. Đội khoa học đã sử dụng một kính hiển vi quét chui hầm (STM) điều nhiệt được thiết kế đặc biệt cho phép hình dung các sóng electron trong một tinh thể. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng STM khảo sát các tinh thể đã được chuẩn bị sao cho bề mặt của chúng có chứa một số khiếm khuyết nguyên tử. Khi họ hạ nhiệt độ trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã nhìn thấy sự xuất hiện của các gợn sóng electron phân tán xung quanh các khiếm khuyết theo kiểu giống như những gợn nước tạo ra xung quanh những hòn đá rơi xuống hồ nước.

Việc thực hiện quan sát mang tính đột phá này của các electron khi chúng chuyển từ những hạt nhẹ thành hạt năng chỉ là một phần của câu chuyện. Các nhà nghiên cứu còn cho biết quá trình trên có thể hiểu như thế nào dựa trên các lí thuyết lượng tử của hành trạng electron. Các hạt hạ nguyên tử như electron có thể biểu hiện hành trạng kì lạ vì sự vướng víu lượng tử, cái có thể hòa trộn những hành trạng hoàn toàn trái ngược lại với nhau. Bằng cách so sánh dữ liệu với các tính toán lí thuyết, nghiên cứu cho thấy các electron nặng xuất hiện từ sự vướng víu của hai hành trạng ngược nhau của các electron, một hành trạng trong đó chúng bị định xứ xung quanh từng nguyên tử cá lẻ và hành trạng kia chúng đang nhảy tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác trong tinh thể.

“Đây là lần đầu tiên chúng tôi có một bức tranh chính xác của sự hình thành các electron nặng, nhờ khả năng của chúng tôi khảo sát chúng với độ phân giải cao,” phát biểu của Ali Yazdani, một giáo sư vật lí tại trường Đại học Princeton và là lãnh đạo của nhóm nghiên cứu.

Mức độ của sự vướng víu như thế có vẻ là cái thiết yếu để tìm hiểu các electron nặng hành xử ra sao một khi chúng được tạo ra và tiếp tục lạnh đi. Việc điều chỉnh thành phần hay cấu trúc tinh thể có thể dùng để điều chỉnh mức độ vướng víu và tính nặng của các electron. Tạo ra các electron quá nặng thì chúng đông lại vào một trạng thái bị từ hóa, bám dính tại mỗi nguyên tử trong tinh thể đồng thời quay tròn cùng nhau. Nhưng việc xử lí thành phần tinh thể sao cho các electron có lượng vướng víu vừa đủ biến những electron nặng này thành chất siêu dẫn khi chúng lạnh đi.

“Cái rõ ràng, và nghiên cứu của chúng tôi xác nhận điều này, là thật ra bạn cần ở bên bờ của hai loại hành trạng này – chậm như rùa và nhanh như chớp – để có sự siêu dẫn,” Yazdani nói. “Đó là trường hợp được ưa thích nhất cho sự xuất hiện của sự siêu dẫn electron nặng.”

Việc tìm hiểu hành trạng siêu dẫn của các electron lạ là tiền phương nghiên cứu trong vật lí học, nơi có nhiều ví dụ chất liệu từ chuyển sang siêu dẫn khi có sự biến đổi tinh vi ở thành phần hay cấu trúc tinh thể của chúng.

Các thí nghiệm trên có thể giúp các nhà vật lí làm sáng tỏ các bí ẩn của sự siêu dẫn nhiệt độ cao, theo phát biểu của Subir Sachdev, một nhà vật lí lí thuyết tại trường Đại học Harvard, người chẳng có liên quan gì trong nghiên cứu trên. Nhiều nhà vật lí cho rằng việc tìm hiểu sự chuyển tiếp này giữa sự từ tính và sự siêu dẫn, định luật một điểm tới hạn lượng tử, có thể giúp giải thích tại sao các chất liệu đó lại siêu dẫn. Nhưng các nhà vật lí còn thiếu bằng chứng thực nghiệm để chứng minh cho các quan điểm của họ.

“Chúng tôi đã chờ đợi những quan sát như thế này trong nhiều năm qua, cho nên chúng tôi rất hào hứng khi chứng kiến một hệ thực nghiệm đẹp như vậy được tìm thấy và được nghiên cứu khá kĩ,” Sachdev nói.

123physics – thuvienvatly.com
Nguồn: Nature

Bài trước | Bài kế tiếp