Một mối liên hệ bất ngờ giữa các tinh thể và chất cách điện tô pô học vừa được các nhà vật lí ở Israel chứng minh trong phòng thí nghiệm. Đội khoa học đã nghiên cứu cách ánh sáng truyền qua một giả tinh thể một chiều (1D) và nhận thấy nó tương tự như cách electron dẫn qua trong một chất cách điện tô pô học 2D. Kết quả bất ngờ trên cho thấy các giả tinh thể có thể được dùng để tạo ra những hệ nhiều chiều hơn 3D – cái có thể hữu ích trong việc nghiên cứu vật lí cơ bản cũng như trong việc tạo ra những chất liệu có những tính chất mới và hữu ích.
Chất cách điện tô pô học là một chất liệu ở dạng nguyên khối thì là chất cách điện nhưng vì những lí do liên quan đến dạng hình học mà là một chất dẫn điện trên bề mặt hoặc cạnh rìa của nó. Có lẽ ví dụ nổi tiếng nhất của chất cách điện tô pô học là hiệu ứng Hall lượng tử nguyên (IQHE), nhờ đó các electron trên rìa của một dải ruy băng 2D dẫn điện mà không có sự dẫn xảy ra ở giữa (hay nguyên khối) của dải. Nay Yaacov Kraus, Oded Zilberberg và các đồng sự tại Viện Khoa học Weizmann ở Israel vừa chứng minh rằng một hiệu ứng tô pô học 2D giống như vậy được có thể nhìn thấy ở cách ánh sáng truyền trong một giả tinh thể 1D – cho thấy giả tinh thể thật ra có tô pô 2D.
Đội khoa học đã tiến hành các thí nghiệm sử dụng những ma trận 2D gồm những đường dẫn sóng song song. Khoảng cách giữa những đường dẫn sóng được thiết lập sao cho một phần ánh sáng truyền vào một đường dẫn có thể rò rỉ sang một đường dẫn lân cận, rồi sang đường dẫn tiếp theo và cứ thế (xem hình). Nếu chuyển động của ánh sáng theo hướng vuông góc với các đường dẫn được xét đến, thì nó giống như một electron đang chuyển động qua một mạng lưới 1D với khoảng cách mạng bằng với khoảng cách giữa các đường dẫn sóng đó. Thực tế ánh sáng “nhảy” từ đường dẫn này sang đường tiếp theo khiến cho hệ tương tự với một mô hình dẫn electron.
Những đường dẫn sóng được dùng để tạo ra một giả tinh thể 1D. Ánh sáng đi vào rìa bên phải của cấu trúc và sự bơm đoạn nhiệt làm lệch nó sang rìa bên trái lúc đi ra. (Ảnh: APS)
Dính kẹt với ngoài rìa
Trong một thí nghiệm, đội khoa học đã tạo ra một hệ trong đó tính chất quang của các đường dẫn sóng – và khoảng cách giữa chúng – không giống hệt nhau. Thay vậy, cấu trúc đó thật ra là một giả tinh thể mô tả bởi mô hình Aubry–André (AA). Khi chiếu một xung ánh sáng vào một đường dẫn sóng ở chính giữa của giả tinh thể, nó lan sang những đường dẫn kế bên khi nó truyền qua. Tuy nhiên, khi chiếu một xung sáng vào đường dẫn sóng đó tại rìa trái của giả tinh thể thì toàn bộ ánh sáng vẫn ở trong kênh đó, theo các nhà khoa học thì đây là “một dấu hiệu rõ ràng của sự tồn tại của một trạng thái biên định xứ”.
Trong thí nghiệm tiếp theo, đội khoa học tập trung vào một hiệu ứng gọi là “bơm đoạn nhiệt”, nhờ đó ánh sáng truyền từ rìa này của một dụng cụ sang dụng cụ rìa kia – một hiệu ứng tô pô học đã nhìn thấy ở những chất liệu biểu hiện IQHE. Để thấy sự bơm này, đội khoa học đã tạo ra một giả tinh thể thứ hai dựa trên một phiên bản khác của mô hình AA. Khi đưa một xung sáng vào một đường dẫn sóng tại rìa của dụng cụ thì ánh sáng truyền qua dụng cụ với toàn bộ ánh sáng đi tới đường dẫn sóng tại rìa bên kia (xem hình). Vì thế một lần nữa, một giả tinh thể 1D dường như hành xử theo kiểu giống như một hệ có tô pô 2D.
Các nhà vật lí giải thích hành trạng lạ lùng này bởi việc trình bày rằng mô hình AA có chứa một thông số cung cấp một mô tả toán học của giả tinh thể. Theo họ, đây có thể xem là một chiều bổ sung – nâng tô pô đó lên 2D.
Theo Kraus, khám phá này thật thú vị vì nó có nghĩa là những hệ có tô pô cao hơn 3D có thể được tạo ra bằng giả tinh thể - đó sẽ là một món hời lớn đối với vật lí cơ bản. Đồng thời, cũng có thể sử dụng giả tinh thể để tạo ra những dụng cụ thực tế dựa trên những chất liệu có tô pô nhất định.
Đội nghiên cứu hiện đang khảo sát cách tạo ra một giả tinh thể 2D có tô pô 4D.
Tham khảo: http://prl.aps.org/pdf/PRL/v109/i10/e106402
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
