Ba nhà vật lí vật chất ngưng tụ, những người đã làm tiến bộ sự nhận thức của chúng ta về một loại chất liệu mới lạ gọi là “chất cách điện tô pô học”, vừa giành huy chương Dirac của năm nay từ Trung tâm Quốc tế Vật lí Lí thuyết ở Trieste, Italy. Duncan Haldane thuộc trường Đại học Princeton, Charles Kane thuộc trường Đại học Pennsylvania và Shoucheng Zhang thuộc trường Đại học Stanford, cả ba đều ở Mĩ, cùng nhận chung giải thưởng 5000 USD, giải thưởng mang tên nhà lí thuyết giành giải Nobel người Anh Paul Dirac. Lần đầu tiên trao giải hồi năm 1985, giải thưởng được trao hàng năm vào ngày 8 tháng 8 – ngày sinh Dirac hồi năm 1902.
Shoucheng Zhang, Duncan Haldane và Charles Kane (trái sang phải)
Tại bề mặt
Chất cách điện tô pô học hiện đang là một trong những đề tài nghiên cứu nóng nhất trong lĩnh vực vật lí vật chất ngưng tụ. Các chất cách điện ở bên trong, nhưng chúng dẫn điện trên bề mặt của chúng nhờ những trạng thái điện tử mặt đặc biệt “được bảo vệ tô pô học”, nghĩa là – không giống như các trạng thái mặt bình thường – chúng không thể bị phá hỏng bởi tạp chất hay khiếm khuyết. Hơn nữa, các electron dẫn tự sắp xếp chúng thành các electron spin hướng lên đi theo một chiều và các electron spin hướng xuống đi theo chiều kia. Một “dòng spin” như thế có thể hữu ích cho những ai muốn xây dựng một dụng cụ “điện tử học spin” thực tế khai thác spin, thay vì điện tích, của các electron.
Những chất cách điện này có một lịch sử khác thường bởi vì – không giống hầu như mọi pha vật chất kì lạ khác – chúng đã được mô tả trên lí thuyết trước khi được khám phá trên thực nghiệm. Kane là một trong những người tham gia vào nghiên cứu sơ bộ ban đầu đó, nghiên cứu dựa trên lí thuyết dải của chất rắn – khuôn khổ cơ lượng tử chuẩn cho việc tìm hiểu các tính chất điện tử của vật liệu. Các trạng thái cách điện tô pô học ở những chất liệu 2D và 3D đã được dự đoán trên lí thuyết vào năm 2005 và 2007, trước khi được khám phá thực nghiệm vào năm 2007.
Những tính chất mới lạ
Biết rằng các chất cách điện tô pô học 3D là những khối chất bán dẫn khá bình thường và các đặc trưng tô pô học của chúng có thể trụ vững với nhiệt độ cao, các tính chất mới lạ của chúng có thể dẫn tới một số ứng dụng hấp dẫn. Nhưng vừa cấu thành một pha mới của vật chất lượng tử khiến các nhà vật lí bận rộn suốt một thời gian, các chất cách điện tô pô học còn khuấy gợi hứng thú vì chúng tỏ ra che giấu các giả hạt tương tự như các “fermion Majorana” – những hạt đồng thời là phản hạt của chúng.
Chính các ứng dụng tiềm năng của chất cách điện tô pô học đã đưa đến phần lớn hứng thú nghiên cứu hiện nay của những chất liệu này. “Khi phát triển các dụng cụ điện tử cỡ nano và theo đuổi những mục tiêu cuốn hút như máy tính lượng tử, khả năng có những kênh dẫn không hỏng và sẽ hoạt động cho dù cái gì đang diễn ra là cái trông khá quan trọng,” nhà vật lí vật chất ngưng tụ Erio Tosatti phát biểu. Huy chương Dirac được trao hàng năm nhưng trừ những người đã giành giải Nobel, huy chương Fields hoặc giải thưởng Wolf Foundation.
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
