Tìm thấy hàng tỉ hạt electron rối lượng tử trong một “kim loại lạ”
Trong một nghiên cứu mới công bố, các nhà vật lý Mỹ và Áo đã quan sát rối lượng tử giữa “hàng tỉ tỉ” các electron chảy trong một vật liệu tới hạn lượng tử.
Bức xạ terahertz radiation được sử dụng để phân tích vật liệu. Nguồn: TU Wien
Nghiên cứu xuất bản trên Science này đã kiểm tra hành vi điện tử và từ của một hợp chất “kim loại lạ” gồm ytterbium, rhodium và silicon khi nó ở cả rìa và chuyển qua một chuyển tiếp tới hạn tại biên giới giữa hai pha lượng tử đã từng được nghiên cứu nhiều trước đây.
Nghiên cứu do các nhà khoa học tại trường đại học Rice và ĐH Công nghệ Vienna (TU Wien) thực hiện đã đem đến một bằng chứng trực tiếp thuyết phục nhất về vai trò của rối lượng tử trong tới hạn lượng tử, đồng tác giả nghiên cứu Qimiao Si của ĐH Rice nói.
“Khi chúng ta nghĩ về rối lượng tử, chúng ta đều nghĩ về những điều rất nhỏ”, Si nói. “Chúng ta không liên hệ chúng với những đối tượng vĩ mô. Nhưng tại một điểm tới hạn lượng tử, những thứ tập hợp nhiều đến mức chúng ta có cơ hội thấy những ảnh hưởng của rối lượng tử, ngay cả trong một màng mỏng kim loại chứa hàng tỉ tỉ vật thể cơ học lượng tử”.
Si, một nhà vật lý lý thuyết và là giám đốc Trung tâm Các vật liệu lượng tử của trường đại học Rice (RCQM), đã dành hơn hai thập kỷ để nghiên cứu về cái gì sẽ diễn ra khi các vật liệu như các kim loại lạ và siêu dẫn nhiệt độ cao thay đổi các pha lượng tử. Hiểu sâu hơn các vật liệu này có thể mở ra cánh cửa cho các kỹ thuật mới về tính toán lượng tử, truyền thông lượng tử và nhiều thứ khác.
Nhóm nghiên cứu quốc tế này đã vượt qua nhiều thách thức để có được kết quả này. Các nhà nghiên cứu TU Wien đã phát triển một kỹ thuật tổng hợp các vật liệu phức hợp cao để tạo ra các màng mỏng siêu nguyên chất chứa một phần ytterbium với hai phần rhodium và silicon (YbRh2Si2). Tại độ không tuyệt đối, vật liệu này đã trải qua một chuyển pha từ một pha lượng tử hình thành một trật tự từ sang pha khác.
Tại ĐH Rice, đồng tác giả Xinwei Li, sau đó một nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của đồng tác giả nghiên cứu và thành viên RCQM Junichiro Kono, đã thực hiện các thí nghiệm quang phổ terahertz trên các màng tại nhiệt độ dưới 1,4 Kelvin. Các đo đạc terahertz đã tiết lộ tính dẫn quang của các màng YbRh2Si2 khi chúng được làm lạnh tới điểm tới hạn lượng tử, điểm đánh dấu chuyển pha từ một pha lượng tử sang pha khác.
“Với các vật liệu lạ, đây là một mối quan hệ hiếm giữa điện trở điện tử và nhiệt độ”, tác giả liên hệ Silke Bühler-Paschen của Viện nghiên cứu vật lý trạng thái đậm đặc của TU Wien. “Trong tương phản với các kim loại thông thường như đồng hay vàng, điều này dường như không tùy thuộc vào vận chuyển nhiệt của các nguyên tử mà các dao động lượng tử tại độ không tuyệt đối”.
Để đo tính dẫn quang, Li rọi bức xạ điện từ nhất quán trong dải tần số terahertz này lên các màng mỏng và phân tích số lượng các tia terahertz xuyên qua như một hàm tần số và nhiệt độ. Thực nghiệm cho thấy “tần số vượt qua mức nhiệt độ”, một chỉ dấu về tín hiệu của tới hạn lượng tử, các tác giả cho biết.
Kono, một kỹ sư và nhà vật lý tại trường Kỹ thuật Brown của ĐH Rice, nói các đo đạc rất khó thực hiện này do Li, một postdoct tại Viện Công nghệ California, đảm trách. Ví dụ, chỉ một phần của bức xạ terahertz chiếu lên mẫu đến được máy dò, và phép đo rất quan trọng là chỉ ra phần bức xạ đó tăng hay giảm bao nhiêu tại các mức nhiệt độ khác nhau.
“Nhỏ hơn 0,1% của tổng bức xạ terahertz chuyển qua, và tín hiệu, vốn là sự biến đổi của tính dẫn như một hàm của tần số, chỉ ở mức vài phần trăm”, Kono nói. “Phải mất nhiều giờ để có được dữ liệu đáng tin cậy tại mỗi mức nhiệt độ khác nhau để tính mức trung bình trên nhiều thí nghiệm khác nhau, và điều cần thiết là phải có dữ liệu tại nhiều mức nhiệt độ để chứng minh sự tồn tại của việc định tỷ lệ”.
“Xinwei vô cùng kiên nhẫn và bền bỉ”, Kono nhận xét. “Thêm nữa anh ấy xử lý một cách cẩn thận những khối lượng lớn dữ liệu mà anh thu thập được để tìm ra quy tắc định tỷ lệ”.
Việc tạo ra các màng mỏng cũng ẩn chứa nhiều thách thức. Để “nuôi” chúng tới mức đủ mỏng để các tia terahertz xuyên qua, nhóm nghiên cứu TU Wien đã phát triển một hệ epitaxy chùm phân tử độc đáo và một phương thức nuôi tinh thể tỉ mỉ. Ytterbium, rhodium và silicon được làm bốc hơi một cách song song từ những nguồn riêng rẽ với tỷ lệ chính xác 1-2-2. Bởi vì mức năng lượng cao cần thiết để làm bay hơi rhodium và silicon, hệ này đòi hỏi một buồng chân không siêu cao được làm riêng cho thí nghiệm với hai thiết bị bay bốc nhiệt chùm tia điện tử.
“May mắn của chúng tôi là tìm thấy chất nền hoàn hảo, germanium”, sinh viên trường TU Wien Lukas Prochaska, một đồng tác giả nghiên cứu, nói. Germanium trong suốt trước terahertz và có “các khoảng cách nguyên tử nhất định mà trên thực tế đồng nhất với khoảng cách giữa các nguyên tử ytterbium trong hợp chất YbRh2Si2, điều làm nên chất lượng tuyệt vời của các tấm màng”.
Silke Bühler-Paschen trong phòng thí nghiệm tại TU Wien (Vienna). Nguồn: Luiza Puiu / TU Wien
Si kể, việc thảo luận về thí nghiệm với Bühler-Paschen diễn ra hơn 15 năm trước khi họ khám phá ra ý nghĩa của việc thử nghiệm một lớp mới của điểm tới hạn lượng tử. Sự xác nhận điểm tới hạn lượng tử mà họ cùng những người khác thúc đẩy là rối lượng tử giữa các spin và các độ nạp là tới hạn.
“Tại một điểm tới hạn lượng tử từ, suy xét thông thường cho rằng chỉ có khu vực spin sẽ tới hạn”, ông nói. “Nhưng nếu độ nạp và spin ở trạng thái rối lượng tử, độ nạp sẽ kết thúc sự tới hạn”.
Tại thời điểm đó, công nghệ này chưa sẵn sàng để kiểm tra giả thuyết nhưng vào năm 2016, tình hình đã thay đổi. TU Wien có thể “nuôi” các màng mỏng, Rice đã lắp đặt một kính hiển vi điện tử có khả năng quét chúng để phát hiện những khiếm khuyết nếu có, và Kono đã có một quang phổ kế terahertz để đo tính dẫn quang. Trng suốt thời kỳ làm việc của Bühler-Paschen ở Rice, bà với Si, Kono và Emilie Ringe, chuyên gia về kính hiển vi điện tử của Rice, đã nhận được sự ủng hộ của trường để theo đuổi dự án thông qua một Giải thưởng Xuất sắc liên ngành (Interdisciplinary Excellence Award) thuộc chương trình Mạo hiểm sáng tạo mới thành lập của ĐH Rice.
“Đây thực sự là một thí nghiệm trong mơ”, Si nói. “Chứng minh độ nạp tại điểm tới hạn lượng tử từ để thấy liệu nó có là tới hạn, liệu nó có mức động lực. Nếu không thấy bất cứ cái gì được tập hợp, đó chính là sự định tỷ lệ, điểm tới hạn đó đã được miêu tả trong một số cuốn sách. Nhưng nếu thấy một điều gì đó kì dị, chính là thứ chúng tôi đã thấy, nó là bằng chứng trực tiếp và một hoàn toàn mới về bản chất rối lượng tử của tới hạn lượng tử”.
Si nói các nỗ lực này để thực hiện nghiên cứu đều đáng giá bởi những phát hiện đem lại nhiều khả năng mới trong tương lai. “Rối lượng tử là vấn đề cơ bản của lưu trữ và xử lý thông tin lượng tử”, Si nói. “Tại thời điểm này, sự tới hạn lượng tử được tin là có thể điều khiển siêu dẫn nhiệt độ cao. Vì vậy, các phát hiện của chúng tôi đề xuất một dạng vật lý cơ bản khác, tới hạn lượng tử, có thể dẫn dắt đến việc hình thành một nền tảng cho cả thông tin lượng tử và siêu dẫn nhiệt độ cao. Khi nghiền ngẫm một cách sâu sắc về triển vọng có thể đến, người ta không khỏi ngạc nhiên trước điều kỳ diệu của tự nhiên”.
Si là giáo sư Harry C. & Olga K. Wiess tại Khoa Vật lý và vật lý thiên văn; Kono là giáo sư Khoa Kỹ thuật điện và máy tính, Khoa Vật lý và vật lý thiên văn, Khoa học vật liệu và kỹ thuật nano, và giám đốc Chương trình vật lý ứng dụng (ĐH Rice); Ringe nghiên cứu tại ĐH Cambridge. Các đồng tác giả khác là Maxwell Andrews, Maximilian Bonta, Werner Schrenk, Andreas Limbeck và Gottfried Strasser của TU Wien; Hermann Detz, trước ở TU Wien và nay là ĐH Brno; Elisabeth Bianco, trước ở ĐH Rice và hiện tại ĐH Cornell; Sadegh Yazdi, trước ở ĐH Rice và hiện tại ĐH Colorado Boulder; Donald MacFarland, trước ở TU Wien và nay là ĐH Buffalo.
Thanh Nhàn dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-01-strange-metals.html
