Tạo dòng chảy không hao tán từ liên kết của các hạt lượng tử kết cặp

Khi các electron di chuyển qua các dòng điện và máy tính, chúng đều gặp phải các lực cản; khi chúng di chuyển chúng sẽ mất đi một phần năng lượng do bị tiêu tán dưới dạng tỏa nhiệt. Điều này giải thích tại sao các máy tính xách tay lại nóng lên sau khi chạy trong thời gian dài và tại sao máy chủ cấp điện cho các đám mây dữ liệu lại đòi hỏi phải có điều hòa nhiệt độ để giữ máy khỏi nóng chảy.

Tương tự như thế, bất kỳ hạt nào mang năng lượng đều có xu hướng mất năng lượng khi chúng di chuyển trong một dạng môi trường cụ thể. Có một số ngoại lệ, vốn thường xuất hiện ở một số mức nhiệt độ vô cùng thấp khi các hạt hình thành các cặp mà người ta gọi là những ngưng tụ lượng tử. Điều này dẫn đến hiện tượng siêu dẫn, với việc triệt tiêu trở lực, trong một số kim lại như nhôm, và siêu lỏng như heli lỏng, vốn có thể di chuyển mà không hề bị hao tán năng lượng.

Rất nhiều ứng dụng, từ truyền dẫn điện không hao tán năng lượng đến tính toán lượng tử, đã được phát triển dựa trên các vật liệu siêu dẫn cho thấy những trạng thái ngưng tự lượng tử đó. Nhưng các vật liệu siêu dẫn được biết cần được giữ ở mức nhiệt độ thấp – vi vậy thường không thực tế lắm. Để tăng nhiệt độ của các thiết bị không bị mất năng lượng, các nhà nghiên cứu cần hiểu sâu sắc hơn những gì điều khiển quá trình hình thành của các ngưng tụ lượng tử ở thời điểm ban đầu.

Về lý thuyết, siêu dẫn là kết quả của các electron kết cặp. Trong phần lớn các vật liệu, tuy nhiên việc kết cặp lại yếu – hai hạt tích điện âm thường không kết cặp với nhau – và chỉ có việc kết cặp mạnh là thành công. Trong bài báo mới xuất bản trên Science, Cory Dean và James Hone ở Columbia, Xiaomeng Liu, Philip Kim, và Bert Halperin ở Harvard, Jia Li tại Brown, và Kenji Watanabe và Takashi Taniguchi ở NIMS (Nhật Bản) đã miêu tả một nền tảng dựa trên graphene có thể điều hướng đã được dùng để cho các điện tích trái dấu – electron và các lỗ – hình thành các cặp hạt lượng tử dưới tác động của từ trường mạnh ¹. Sức mạnh của việc kết cặp đó có thể biến thiên theo một miền liên tục, cho phép nhóm nghiên cứu này thử nghiệm các dự đoán lý thuyết về nguồn gốc của các ngưng tự và cách chúng có thể gia tăng trong những giới hạn nhiệt độ của siêu dẫn.

Thiết kế một nền tảng có điều hướng

Lý thuyết đằng sau thử nghiệm này quá đơn giản. “Nếu anh có thể nhận các electron để hình thành cặp, chúng có thể trở thành siêu dẫn”, Dean giải thích.  Theo lý thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS), một lực hấp dẫn giữa các electron – không bị ảnh hưởng ngay, kể cả khi nó là lực yếu – sẽ là nguyên nhân khiến các electron kết cặp để hình thành một dạng mới của hạt gọi là một “cặp Cooper”. Chúng hành xử như các hạt mà chúng ta gọi là các boson và, tại các mức nhiệt độ đủ thấp, có thể chuyển vào một trạng thái thu thập và chuyển sang một loại vật liệu tự do bởi sự mất trật tự – một đặc điểm mà một đơn electron tự nó không thể đạt được.

Nhưng có một vấn đề ở đây. “Các electron không muốn kết cặp”, Dean nói. Giống như những kẻ nổi loạn vậy. Thay vì cố gắng “ép” một liên kết giữa hai electron mang điện tích âm, nhóm nghiên cứu đã khám phá cách những electron trái đấu có thể bị thu hút để tạo ra một boson kết cặp tương đương.

Ý tưởng cơ bản, do các nhà lý thuyết đề xuất đầu tiên, giờ đã thành hiện thực bằng việc nhóm nghiên cứu này tạo ra một tám graphene có độ dày một nguyên tử, một loại vật liệu có tính chất độc đáo mà họ đã nghiên cứu nhiều năm. Phụ thuộc vào điện áp và từ trường, các tấm graphene có thể được tạo ra với các electron điện tích âm hoặc với những lỗ tích điện dương. Khi hai tấm đặt cạnh nhau, các electron trên một tấm sẽ muốn kết cặp với những lỗ tích điện trái dấu của tấm khác, hình thành các cặp boson.

Tuy nhiên cần tính đến khoảng cách. “Những người đầu tiên thử kết cặp các electron và các lỗ trong một đơn vật liệu và đành rằng có sự hấp dẫn giữa chúng nhưng theo nghĩa là lực hấp dẫn lúc đó quá lớn”, Liu nói. Nếu cả hai ở quá gần nhau, chúng sẽ kết hợp và biến mất. Sử dụng một kỹ thuật được phát triển ở Columbia để tạo ra các tấm vật liệu có độ dày một nguyên tử xếp lớp lên nhau, nhóm nghiên cứu đã cho thêm vào tấm cách điện boron nitride giữa graphene. Điều này giúp tạo ra một khoảng cách vật lý giữa các electron của một tấm graphenevới lỗ của tấm khác, vốn ảnh hưởng lên cường độ của tương tác: nhiều lớp cách điện dẫn đến một liên kết yếu hơn; ít các lớp thì mang hơn. “Bằng sự khác nhau về độ dày của lớp phân tách, chúng tôi đã kiểm soát điều hướng một cách trực tiếp lên cường độ tương tác”, Li nói.

Các electron và koox không cần tương tác với nhau; các cặp boson hình thành cần tương tác với những cặp khác để đạt đến trạng thái ngưng tụ lượng tử thu thập. Bằng việc chỉnh sửa số lượng các lớp cách điện, nhóm nghiên cứu có thể kiểm soát cường độ liên kết giữa các electron và các lỗ, trong khi thay đổi từ trường bên ngoài áp dụng vào sự tương tác giữa các cặp boson.

Vượt qua để tăng nhiệt độ

Phần lớn các vật liệu siêu dẫn có thể chỉ tồn tại ở mức nhiệt độ cực thấp, cụ thể là ít hơn 10 Kelvin (hoặc -441 độ F). Tuy nhiên trong những vật liệu nhất định, gọi là siêu dẫn nhiệt độ cao, trạng thái kết cặp chỉ tồn tại ở những mức nhiệt độ cao khoảng 200K (-100 độ F). Dẫu vẫn còn rất thấp, sự tồn tại của các siêu dẫn nhiệt độ cao cho thấy ngưng tụ lượng tử có thể xuất hiện ở nhiệt độ phòng. Dẫu đã qua hàng thập kỷ nghiên cứu, nhưng quá trình mà các ngưng tụ lượng tử nhiệt độ cao sử dụng các cặp electron-electron hay các cặp electron-lỗ vẫn diễn ra rất chậm chạp.

Một lý thuyết là các siêu dẫn nhiệt độ cao không chỉ là kết quả của sự kết cặp electron, dẫu lực hút là “mạnh” hay “yếu” mà còn là sự tồn tại ở sự giao giữa hai trạng thái đó. Nghiên cứu sự kết cặp boson mạnh – do thuyết ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) miêu tả – đã là một thách thức lớn của các siêu dẫn nhiệt độ cao, vì các electron đẩy nhau một cách tự nhiên và vô cùng khó kiểm soát sự tương tác giữa chúng. Với nền tảng graphene có diều hướng kết hợp các electron với lỗ hơn là các cặp electron-electron, nhóm nghiên cứu đã có thể vẽ được sơ đồ thời điểm đầu tiên siêu dẫn thay đổi khi cường độ kết cặp chuyển đổi giữa các thái cực ngưng tự Bose Einstein và Bardeen-Cooper-Schrieffer.

Tại đây, thực nghiệm đặt vào nhiệt độ heli lỏng – mức âm 450 độ F –  và đặt một nam châm 10 Tesla (lớn hơn 100 lần một nam châm tủ lạnh); điều kiện không thực tế để tạo ra những thiết bị vận hành trên một con chip bên trong một máy tính. Nhưng Dean cho rằng, công trình này mở ra những con đường mới cho nghiên cứu. “bởi vì tính điều hướng của nền tảng này mà chúng tôi có thể kiểm tra những dự đoán lý thuyết theo các cách mà từ trước đến nay chưa từng thử nghiệm”.

Với các vật liệu khác, có thể nó làm ảnh hưởng cả nam châm, vốn cần thiết để đưa các electron của graphene vốn thông thường không tương tác thành tương tác. Ví dụ, các chất bán dẫn có thể được điều khiển thành toàn bộ các electron và/hoặc các lỗ. Việc có thêm nhiều các tấm graphene để hình thành các cặp electron-hole bền sẽ giảm thiểu các vấn đề kỹ thuật, như cách các vật liệu ‘sạch’ và không biến dạng như thế nào và liệu có thể tạo ra mối quan hệ giữa chúng? “Nếu có nhiều ngưng tụ cặp electron-lỗ – cũng gọi là các ngưng tụ kích thích – có thể bền ở các mức nhiệt độ cao và không cần một từ trường, điều này có thể dẫn đến những ứng dụng trong thực tế”, Halperin, một nhà vật lý ở Harvard nói.

“Những gì chúng tôi đang hình thành với nền tảng graphene này cho thấy ý tưởng này hoàn toàn đúng đắn”, Dean nói. “Nó không còn là hoang đường nữa, nó đã trở thành thực tế. Giờ đây nó đã hiển hiện theo nghĩa, thuần túy là một thách thức về mặt kỹ thuật”.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2022-01-tuning-bonds-paired-quantum-particles.html

https://www.brown.edu/news/2022-01-13/condensate

————————–

1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abg1110