Chất lỏng spin lượng tử: Xuất phát điểm cho sự siêu dẫn?

Một trạng thái kì lạ của vật chất mà các nhà vật lí gọi là “chất lỏng spin lượng tử” có thể được hiện thực hóa bởi các electron trong một cấu trúc tinh thể kiểu tổ ong.

Mô phỏng của chất lỏng spin lượng tử được thực hiện trên một cấu trúc phẳng kiểu tổ ong, trong đó các electron thể hiện pha động mất trật tự. (Ảnh: Đại học Stuttgart)

Đây là kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học ở các trường đại học Stuttgart và Würzburg, Đức, trong một nghiên cứu mới đăng trên tạp chí Nature.

Các electron bên trong một tinh thể tồn tại ở những trạng thái khác nhau. Trong nhiều trường hợp, điều đó do cấu trúc tinh thể quyết định, cho dù vật liệu là kim loại với một độ dẫn điện có hạn, hay là một chất cách điện không dẫn dòng điện. Nhưng cũng có những loại chất cách điện có cấu trúc tinh thể cho thấy chúng phải hành xử giống như kim loại. Những chất liệu như vậy được gọi là “chất cách điện Mott”, và chính sự đẩy nhau giữa các electron làm triệt tiêu mất hành trạng kim loại tính, cho nên các electron bị khóa trong các nguyên tử.

Những electron bị khu biệt như vậy có xu hướng làm hạ nhiệt độ, thí dụ như ở những cấu trúc từ tính. Tuy nhiên, một “chất lỏng spin lượng tử” là một chất cách điện Mott phi từ tính được ổn định thuần túy bởi những hiệu ứng cơ lượng tử. Các electron bên trong một chất lỏng spin lượng tử kháng lại việc giảm xuống những nhiệt độ thấp nhất, hạ đến độ không tuyệt đối ở - 273 độ Celsius. Xu hướng trật tự đó bị lấn át bởi những thăng giáng động của các electron thậm chí tại nhiệt độ không tuyệt đối (các thăng giáng lượng tử). Để cho điều này xảy ra, các thăng giáng lượng tử phải đủ lớn, chúng là trường hợp hiếm gặp trong tự nhiên, đồng thời khó hiện thực hóa trong những mô hình thực tế.

Nay các nhà lí thuyết ở trường đại học Stuttgart, Zi Yang Meng, Stefan Wessel, và giáo sư Alejandro Muramatsu, cùng với các đồng nghiệp của họ, Thomas Lang và giáo sư Fakher Assaad ở trường đại học Würzburg, chứng tỏ được một chất lỏng spin lượng tử như vậy tồn tại trong mô hình thực của các electron đang tương tác. Trong nghiên cứu của mình, họ sử dụng những mô phỏng máy tính quy mô lớn, để giải thích cho cả những tương tác giữa các electron và những thăng giáng lượng tử của chúng. Kết quả bất ngờ của họ được chấp thuận cho công bố trên tạp chí Nature.

Chất lỏng spin lượng tử do nhóm Meng tìm thấy xảy ra trong những chất liệu trong đó các nguyên tử hình thành nên một ma trận hai chiều, đều đặn có hình lục giác, do đó hiện thực hóa một mạng tổ ong. Một cấu trúc tinh thể như vậy đã được tìm thấy chẳng hạn ở graphene, một lát carbon hai chiều, chỉ mới được tổng hợp ra trong thời gian gần đây, và kể từ đó đã thu hút được sự nghiên cứu mạnh mẽ. Nếu những tương tác điện tử có thể được tăng cường trong một chất liệu như vậy, thì trạng thái chất lỏng spin lượng tử có tính hấp dẫn cao có thể được hiện thực hóa. Điều này dường như không có khả năng thu được, chẳng hạn bởi sự giãn nở, ở graphene. Do đó, các nhà vật lí Stuttgart và Würzburg đề xuất việc khảo sát những cấu trúc kiểu tổ ong hình thành từ những nguyên tố nhóm IV khác thể hiện những tương tác điện tử tăng cường. Bước đi đầu tiên theo xu hướng này có thể đã được triển khai, vì các nhà hóa học trước đây đã thành công trong việc tổng hợp những cấu trúc kiểu tổ ong gồm các nguyên tử silicon.

Ngoài ra, chất lỏng spin lượng tử cũng sẽ có thể được hiện thực hóa bởi việc sử dụng những nguyên tử cực lạnh. Thật ra, mô hình toán học do các nhà vật lí trên nghiên cứu mô tả các electron đang tương tác trong những hệ chất rắn lẫn những nguyên tử cực lạnh đang tương tác trong một mạng quang. Sự tiến bộ ấn tượng thu được trong lĩnh vực nghiên cứu này mở ra khả năng hiện thực hóa chất lỏng spin lượng tử với các nguyên tử cực lạnh.

Một khía cạnh hấp dẫn khác nữa của chất lỏng spin lượng tử là nó còn có thể xem là xuất phát điểm cho sự siêu dẫn. Dòng điện khi đó sẽ chảy mà không bị cản trở trong khối vật liệu. Trường hợp này có nhiều ứng dụng tiềm năng, thí dụ như các máy tính cực nhanh hoặc truyển tải điện năng tự do mà không hao phí.

Trong nghiên cứu cơ bản của họ, hai nhóm lí thuyết ở Stuttgart và Würzburg phân tích những pha phức của những hệ nhiều vật lượng tử đang tương tác mạnh nói chung. Họ phát hiện thấy pha chất lỏng spin lượng tử, trong khi đang nghiên cứu những chuyển tiếp khả dĩ giữa pha kim loại và pha cách điện trong một mô hình cho graphene. Trong vùng phụ cận của những chuyển tiếp ấy, các thăng giáng lượng tử trở nên tăng cường đáng kể, và phá hỏng bất kì trật tự từ nào. Các nhà khoa học còn có thể loại ra những loại trật tự điện tử khác từ một phân tích mở rộng. Một nghiên cứu như vậy chỉ có thể thực hiện với sự hỗ trợ của những siêu máy tính hiện đại. Đặc biệt, trong những phép tính của họ, các nhà khoa học có thể khai thác tiện lợi từ những trung tâm siêu máy tính hiệu quả cao ở Jülich, München và Stuttgart. Trong tương lai, họ hi vọng áp dụng các mô phỏng electron đang tương tác mạnh cho việc chế tạo ra những loại chất liệu mới lạ hiện thực hóa những trạng thái kì lạ của vật chất – kể cả chất lỏng spin lượng tử.

Theo PhysOrg.com