Tiết lộ trạng thái vật chất mới: một kim loại cặp Cooper

Trong nhiều năm, các nhà vật lý đã cho rằng các cặp Cooper, những bộ đôi electron cho phép các chất siêu dẫn truyền điện mà không gặp trở ngại, là những cặp mang tính chất đặc biệt. Chúng đều di chuyển một cách tự do, có thể tạo ra một trạng thái siêu dẫn hoặc tạo ra một trạng thái cách điện bằng cách gây nhiễu bên trong vật liệu khiến các điện tích không thể di chuyển được.

Nhưng trong công bố “Intermediate bosonic metallic state in the superconductor-insulator transition” mới xuất bản trên Science, một nhóm nghiên cứu đã chứng tỏ các cặp Cooper có thể dẫn điện với một lượng điện trở như cách các kim loại thông thường đã làm. Nghiên cứu này miêu tả một trạng thái hoàn toàn mới của vật chất, các nhà nghiên cứu cho biết, nó sẽ đòi hỏi một giải thích mới về mặt lý thuyết.

“Đã có bằng chứng cho thấy trạng thái kim loại này có thể gia tăng trong các siêu dẫn dạng màng mỏng vì chúng đã được làm lạnh xuống nhiệt độ siêu dẫn nhưng liệu có hay không trạng thái bao gồm các cặp Cooper vẫn là một câu hỏi mở”, Jim Valles nói. Anh là giáo sư vật lý ở trường đại học Brown và là tác giả chính của nghiên cứu. “Chúng tôi đã phát triển một kỹ thuật cho phép chúng tôi kiểm tra vấn đề và chúng tôi đã chứng tỏ rằng, thật vậy, các cặp Cooper đã dẫn đến việc vận chuyển điện tích trong trạng thái kim loại. Điều thú vị là không ai chắc chắn tại mức cơ bản, các cặp Cooper này đã làm điều đó như thế nào, vì vậy phát hiện này sẽ đòi hỏi giải thích bằng lý thuyết và thực nghiệm để hiệu một cách chắc chắn cái gì đang xảy ra”.

Các cặp Cooper được đặt theo tên Leon Cooper, một giáo sư vật lý tại trường Brown từng giành giải Nobel vào năm 1972 cho việc miêu tả vai trò của các cặp electron trong việc chuyển vật chất thành siêu dẫn. Điện trở được tạo ra khi các electron nổ lách tách quanh mạng nguyên tử của một vật liệu khi chúng di chuyển. Nhưng khi các electron liên kết cùng nhau thành  các cặp Cooper, chúng trải qua một quá trình chuyển đổi đáng chú ý. Bản thân các electron là các fermion, các hạt tuân theo nguyên lý loại từ Pauli, nghĩa là mỗi electron có xu hướng giữ trạng thái lượng tử của chúng, và dẫu sao đóng vai trò như những hạt boson, vốn cũng thoải mái chia sẻ trạng thái tương tự. Tính chất boson này cho phép các cặp Cooper phối hợp các di chuyển của mình với các cặp Cooper khác theo cách giảm điện trở xuống bằng không.

Vào năm 2007, Valles, hợp tác với giáo sư vật lý và kỹ thuật Jimmy Xu ở trường Brown đã chứng tỏ rằng các cặp Cooper có thể tạo ra trạng thái cách điện cũng như siêu dẫn. Trong các vật liệu mỏng, các cặp này đã kết hợp lại tại chỗ, bện thành những đảo nhỏ tí trong một vật liệu và không có khả năng nhảy sang đảo kế tiếp.

Với nghiên cứu mới này, Valles, Xu và các đồng nghiệp Trung Quốc đã tìm kiếm các cặp Cooper trong trạng thái kim loại phi siêu dẫn bằng việc sử dụng một kỹ thuật tương tự như kỹ thuật đã tìm ra cách điện cặp Cooper. Kỹ thuật này bao gồm việc tạo maaix một siêu dẫn màng mỏng – trong trường hợp này là một ô xít yttrium barium copper (YBCO) siêu dẫn nhiệt độ cao – với chuỗi các lỗ nhỏ. Khi vật liệu này có một dòng điện chạy qua và tạo ra một từ trường, các chất mang điện tích trong vật liệu sẽ vận chuyển theo quỹ đạo các lỗ như nước chảy quanh cống.

“Chúng tôi có thể đo đạc tần số mà tại đó các hạt mang điện tích này quay tròn”, Valles nói. “Trong trường hợp này, chúng tôi tìm thấy tần số phù hợp với cặp được tạo thành từ hai electron di chuyển quanh trong một khoảng thời gian thay vì một electron. Vì vậy chúng tôi có thể kết lận là những vật mang điện tích trong trạng thá này là các cặp Cooper và không phải các electron đơn lẻ”.

Ý tưởng các cặp Cooper như boson liên quan đến trạng thái kim loại này là điều rất ngạc nhiên, các nhà nghiên cứu nói. Bởi vì các yếu tố của thuyết lượng tử cho thấy điều này là không thể. Vì vậy để hiểu được những gì diễn ra trong trạng thái này có thể dẫn đến một số lĩnh vực vật lý mới nhưng cần thực hiện nhiều nghiên cứu nữa mới có thể làm được điều đó.

Thật may mắn là hiện tượng này được dó trong một siêu dẫn nhiệt độ cao sẽ khiến cho những nghiên cứu trong tương lai có thể mang tính thực tiễn hơn. YBCO khởi động trạng thái siêu dẫn tại -181  độ C, và pha kim loại khởi động tại nhiệt độ ngay trên mức đó. Thật lạnh nhưng cũng ấm hơn so với nhiều nhiệt độ của các chất siêu dẫn khác, vốn hoạt động ở mức trên không tuyệt đối. Mức nhiệt độ cao hơn sẽ khiến dễ dàng sử dụng quang phổ và các kỹ thuật khác nhằm hiểu tốt hơn những gì đang diễ ra tại pha kim loại.

Các nhà nghiên cứu cho biết, có thể khai thác trạng thái kim loại boson cho những dạng mới của các thiết bị điện tử.

“Các boson có xu hướng ở trạng thái dạng sóng nhiều hơn các electron, vì vậy chúng ta nói chúng có một pha và tạo ra giao thoa theo cùng cách ánh sáng đã làm”, Valles nói. “Vì vậy có thể hình thành những phương thức mới cho vận chuyển điện tích quanh các thiết bị được vận hành với giao thoa giữa các hạt boson”.

Nhưng từ bây giờ, các nhà nghiên cứu đã háo hức với phát hiện ra trạng thái mới của vật chất.

“Khoa học được xây dựng trên các khám phá”, Xu nói, “và thật vui với việc khám phá ra những thứ hoàn toàn mới”.

Tô Vân dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2019-11-reveals-state-cooper-pair-metal.html