Dòng chảy electron có thể điều khiển được trong dây dẫn lượng tử
Các nhà nghiên cứu của trường đại học Princeton đã chứng minh một cách mới của việc tạo ra “các dây dẫn lượng tử” có thể điều khiển được trong từ trường, theo công bố mới xuất bản trên Nature.
Hình ảnh chụp trên kính hiển vi điện tử quét đường hầm cho thấy một biên giới giữa các vùng với các quỹ đạo định hướng electron khác nhau. Nguồn: Nhóm nghiên cứu Ali Yazdani tại trường Princeton.
Họ đã dò được các kênh của những electron dẫn điện được hình thành giữa hai trạng thái lượng tử trên một bề mặt tinh thể bismuth trong một từ trường cao. Hai trạng thái này gồm có các hạt electron di chuyển trong các quỹ đạo hình elip với những định hướng khác nhau.
Họ tìm thấy dòng chảy điện từ trong các kênh này có thể được bật và tắt, khiến cho các kênh này thành một kiểu mới của dây điện lượng tử có thể điều khiển.
“Các kênh này hết sức khác thường bởi chúng hình thành một cách tự động tại các biên giới giữa các trạng thái lượng tử khác nhau, trong đó các hạt electron sắp hàng chung theo các quỹ đạo hình elip”, Ali Yazdani, giáo sư vật lý, giám đốc Trung tâm Vật liệu phức hợp Princeton và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. “Thật phấn khích khi thấy sự tương tác giữa các hạt electron trong các kênh được kiểm soát một cách rõ nét, dù chúng có được điều khiển hay không”.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một kính hiển vi điện tử đường hầm quét – một thiết bị có khả năng chụp ảnh các đơn nguyên tử và vẽ bản đồ chuyển động của các eletron trên bề mặt một vật liệu – để hình dung các tính chất của electron trên bề mặt một tinh thể được làm từ nguyên tố bismuth nguyên chất.
Với công cụ này, nhóm nghiên cứu đã chụp ảnh thẳng các chuyển động của các electron trong sự hiện diện của từ trường hàng trăm lần lớn hơn một nam châm lạnh. Ứng dụng này của từ trường nam châm lớn đẩy các electron chuyển động theo các quỹ đạo hình elip, thay vì chuyển động theo dòng chảy electron song song với hướng của điện trường.
Họ đã tìm thấy các kênh dẫn điện hình thành tại biên giới, nơi họ gọi là bức tường miền thung lũng phân cực (valley-polarized domain wall) giữa hai vùng trên tinh thể bismuth, nơi các quỹ đạo electron được chuyển theo các định hướng khác nhau một cách bất ngờ.
Mallika Randeria, người thực hiện các thí nghiệm, cho biết: “Chúng tôi đã tìm thấy các kênh hai làn và bốn làn trong đó các hạt electron có thể chảy, phụ thuộc vào giá trị chính xác của từ trường”. Cô và đồng nghiệp quan sát thấy khi các hạt electron được hướng và chuyển động trong kênh 4 làn, chúng có thể bị mắc kẹt nhưng chúng cũng có thể chảy một cách dễ dàng khi chỉ hạn chế chuyển động trong kênh 2 làn.
Để cố gắng hiểu được hành vi này, các nhà nghiên cứu đã khám phá ra những quy luật mới, theo đó các quy luật của cơ học lượng tử điều khiển lực đẩy giữa các hạt electron trong các dây dẫn lượng tử đa kênh. Trong khi số lượng các làn có thể được xem như đề xuất về tính truyền dẫn tốt nhất, lực đẩy giữa các electron là nguyên nhân khiến chúng chuyển làn, chuyển hướng, bị mắc kẹt, dẫn đến tính chất cách điện. Với số ít kênh, electron không có lựa chọn nào để chuyển làn và phải truyền thành dòng điện ngay cả khi chúng phải di chuyển “xuyên qua” nhau – một hiện tượng lượng tử chỉ có thể xảy ra trong các kênh một chiều.
Sự truyền dẫn được bảo vệ tương tự dọc theo các biên giới như vậy còn được gọi là các trạng thái tô pô của vật chất – vốn là chủ đề nghiên cứu của F. Duncan Haldane ở trường đại học Princeton– nhà khoa học đoạt giải Nobel vật lý 2016. Các giải thích về mặt lý thuyết cho những khối cơ bản mới được phát hiện này đã được hai thành viên của nhóm nghiên cứu, Siddharth Parameswaran – sinh viên tốt nghiệp tại Princeton và hiện giảng dạy tại trường đại học Oxford, và Shivaji Sondhi – giáo sư vật lý Princeton và các cộng sự.
“Mặc dù đã có sẵn một vài ý tưởng về mặt lý thuyết mà chúng tôi áp dụng trong nghiên cứu này nhưng vẫn còn nhiều thách thức để xem cách chúng phù hợp với giải thích của một thí nghiệm trên thực tế như thế nào, và sự hồi hộp thực sự khi chứng kiến nó xảy ra”, Parameswaran nói. “Đây là một ví dụ hoàn hảo về cả công việc thực nghiệm lẫn lý thuyết nối tiếp nhau: không có dữ liệu thực nghiệm mới, chúng tôi có thể không bao giờ có thể tái trở lại với lý thuyết của mình, và nếu không có một lý thuyết mới có thể vô cùng khó khăn để hiểu được thực nghiệm”.
Thanh Phương dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2019-02-electron-quantum-wires.html#jCp
