Hiệu ứng Hall spin lượng tử: Các electron tại các gờ của một chất cách điện rất mỏng có thể dẫn điện. Nếu các electron đang chuyển động ra khỏi trang giấy, thì các electron spin down (màu đỏ) chuyển động dọc theo gờ bên trái, còn các electron spin up (màu xanh) chuyển động dọc theo gờ bên phải. (Ảnh: Laurens Molenkamp.)
Năm nhà vật lí đã mang đến cho chúng ta hiệu ứng Hall spin lượng tử và các chất cách điện tôpô học vừa giành được giải thưởng Europhysics năm nay từ phân viện vật chất ngưng tụ thuộc Hội Vật lí châu Âu. Những người đạt giải là Shoucheng Zhang thuộc Đại học Stanford; Charles Kane và Eugene Mele thuộc Đại học Pennyslvania; Hartmut Buhmann và Laurens Molenkamp thuộc Đại học Würzburg ở Đức.
Kể từ khi được xác nhận thực nghiệm vào năm 2007, hai hiện tượng có liên quan trên đã trở thành những đề tài nghiên cứu chính trong ngành vật lí chất rắn với hàng trăm bài báo đăng tải trên website arXiv. Nghiên cứu tiên phong của bộ ngũ trên còn có thể cho phép các nhà vật lí có cái nhìn sơ bộ đầu tiên về một hạt hay lảng tránh gọi là fermion Majorana và đưa đến các máy tính lượng tử không bị nhiễu.
Khuôn khổ tôpô học
Zhang, Kane và Mele được vinh danh cho công trình lí thuyết của họ về hiệu ứng Hall spin lượng tử (QSHE), xảy ra trong những chất cách điện rất mỏng nhất định. Nó liên quan đến các electron spin up dẫn dọc theo một gờ của chất cách điện, còn các electron spin down thì dẫn dọc theo gờ đối diện. Các nỗ lực của bộ tam đã thiết lập một khuôn khổ lí thuyết cho các chất cách điện tôpô học – các chất là chất cách điện nguyên khối nhưng là chất dẫn điện tốt trên bề mặt.
Năm 2005, Kane và Mele đã đề xuất một lí thuyết tổng quát tiên đoán các chất liệu là chất cách điện tôpô 2D. Hai nhà khoa học đã nhận ra graphene – những tấm carbon chỉ dày một nguyên tử - là một ứng cử viên, mặc dù việc xác lập điều này bằng thực nghiệm là không khả thi. Tuy nhiên, làm việc một cách độc lập, Zhang dự đoán hồi năm 2006 rằng thủy ngân telluride sẽ là một chất cách điện tôpô 2D. Dự đoán này được xác nhận thực nghiệm vào năm 2007 bởi Buhmann và Molenkamp, hai nhà khoa học khác giành giải thưởng của năm nay.
Joel Moore ở trường Đại học California, Berkeley, nói giải thưởng trên là một “sự ghi nhận xứng đáng của một khám phá hấp dẫn thể hiện sự tương tác mang tính xây dựng giữa các dự báo lí thuyết và nghiên cứu thực nghiệm trong ngành vật lí vật chất ngưng tụ”.
Mở rộng sang 3D
Những chất như thế được gọi là chất cách điện tôpô 2D vì hiệu ứng xảy ra trong các chất liệu cực mỏng, trong đó các electron bị hạn chế với hai chiều không gian và hiệu ứng có liên quan với hình dạng (hay tôpô học) của các hàm sóng electron. Năm 2007, Kane và Mele – và một cách độc lập, Moore, Leon Balents và Rahul Roy – đã nhận ra rằng cách chất cách điện tôpô còn có thể tồn tại trong các chất liệu 3D dày hơn. Điều này được xác nhận thực nghiệm vào năm 2008 bởi Zahid Hasan cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học Princeton.
Marcel Franz ở trường Đại học British Columbia cho biết các chất cách điện tôpô 3D “cấu thành một pha thật sự mới của vật chất lượng tử”. “Chúng ta nghĩ mình đã hiểu hết các khía cạnh của lí thuyết dải trong chất rắn nhưng những phát triển mới này cho thấy thật ra chúng ta hoàn toàn bỏ sót một số khía cạnh tôpô học tỏ ra có tầm quan trọng thật cơ bản”, ông nói.
Hạt và phản hạt
Các nhà vật lí đặc biệt quan tâm xem điều gì xảy ra tại tiếp giáp giữa một chất cách điện tôpô và một chất siêu dẫn. Một số nhà vật lí tin rằng những cấu trúc như thế có thể dung dưỡng một loại giả hạt mới làm nhớ tới các “fermion Majorana”, những hạt được tiên đoán hồi năm 1937 bởi nhà lí thuyết người Italy Ettore Majorana nhưng cho đến nay chưa được trông thấy.
Các fermion Majorana là những hạt giống electron có phản hạt riêng của chúng. Chúng không phải là fermion cũng chẳng phải boson, và thay vào đó chúng tuân theo thống kê phi Abel. Các trạng thái lượng tử của những hạt như vậy được trông đợi là có trở kháng cao đối với các nhiễu loạn do môi trường gây ra, khiến chúng là những ứng cử viên lí tưởng cho các máy tính lượng tử.
- Nguyễn Vi Na (theo physicsworld.com)
