Nhận diện cơ chế giúp giải thích các đặc tính của các “kim loại lạ”
Trong gần bốn thập kỷ, các vật liệu vẫn được gọi là “các kim loại lạ” đã khiến các nhà vật lý lượng tử phải bối rối, bất chấp sự giải thích bằng cách vận hành của các quy luật điện thông thường.
Hiện tại nghiên cứu do Aavishkar Patel của Trung tâm Vật lý tính toán lượng tử của Viện Flatiron ở New York thực hiện đã nhận diện được, một cơ chế giúp giải thích các đặc tính riêng của các kim loại lạ.
Trong ấn phẩm ra mắt ngày 18/8 của tạp chí Science 1, Patel và đồng nghiệp của anh đã trình bày lý thuyết phổ quát, trong đó lý giải tại sao các kim loại lạ lại hành xử như vậy – một giải pháp cho một trong những bài toán thách thức bậc nhất trong vật lý chất rắn.
Hành xử của các kim loại lạ được tìm thấy trong nhiều vật liệu lượng tử, bao gồm cả một số vật liệu có những thay đổi nhỏ nhất, có thể trở thành vật liệu siêu dẫn (vật liệu trong đó dòng chảy điện tích không gặp trở lực ở các mức nhiệt độ thấp). Mối tương quan đó cho thấy việc hiểu về các kim loại lạ có thể giúp các nhà nghiên cứu nhận diện được các dạng mới của siêu dẫn.
Lý thuyết mới đơn giản đến ngạc nhiên nhưng có thể giải thích những nét kỳ dị về các kim loại lạ, như tại sao sự thay đổi trong điện trở suất – một đo đạc về cách điện tích có thể dễ dàng di chuyển thông qua vật liệu như dòng điện – lại tỉ lệ thuận với nhiệt đội, ngay cả các mức nhiệt độ siêu thấp. Mối tương quan đó có có nghĩa là một kim loại lạ có thể kháng dòng chảy điện tích hơn so với kim loại thông thường như vàng hoặc đồng tại cùng mức nhiệt độ.
Lý thuyết mới là cơ sở cho sự kết hợp của hai đặc tính của các kim loại lạ. Thứ nhất, các điện tích của chúng có thể trở rối lượng tử với nhau, qua đó gắn kết chúng với nhau, và chúng vẫn còn rối với nhau ngay cả khi ở khoảng cách xa. Thứ hai, các kim loại lạ có sự thiếu đồng nhất, sự sắp xếp của các nguyên tử giống như mảnh vải bị chắp vá.
Không đặc tính riêng lẻ nào có thể giải thích sự kỳ dị của các kim loại lạ nhưng khi kết hợp cùng nhau “tất cả đều phù hợp cho lời giải này”, theo nhận xét của Patel.
Sự bất thường trong việc sắp xếp nguyên tử của một kim loại lạ có nghĩa là việc rối điện tử biến thiên phụ thuộc vào vị trí mà hiện tượng rối xảy ra trong kim loại. Đó là sự biến thiên được đưa một cách ngẫu nhiên vào momentum của các electron khi chúng dịch chuyển qua vật liệu này và tương tác với nhau. Thay vì tất cả dịch chuyển cùng nhay, các electron va chạm nhau theo mọi hướng, dẫn đến việc tạo ra điện trở. Khi các electron va chạm thường xuyên hơn, vật liệu trở nên nóng hơn, sự kháng điện tăng lên cùng với nhiệt độ.
“Sự tác động lẫn nhau của rối lượng tử và sự không đồng nhất là một hiệu ứng mới; hiện tượng này trước đây chưa được xem xét ở bất cứ kim loại nào”, Patel nói. “Khi nhìn lại thì đây lại là điều cực kỳ đơn giản. Trong cả một thời gian dài, mọi người đã làm cho toàn bộ câu chuyện về các kim loại lạ trở nên phức tạp quá mức cần thiết, và đó không phải là cách làm đúng đắn”.
Patel nói, cách hiểu tốt nhất về kim loại lạ có thể giúp các nhà vật lý phát triển và tinh chỉnh các siêu dẫn mới cho nhiều ứng dụng như máy tính lượng tử.
“Có những trường hợp như người ta muốn tạo ra siêu dẫn nhưng không dễ làm như vậy bởi vì tính siêu dẫn bị ngăn trở bằng những trạng thái không cạnh tranh khác”, ông nói. “Người ta có thể hỏi liệu sau sự hiện diện của sự không đồng nhất đó có thể phá hủy những trạng thái khác mà siêu dẫn có thể cạnh tranh với nó và qua đó dẫn đến con đường mở ra cho siêu dẫn không”.
Hiện tại thì các kim loại lạ đã trở nên ít kỳ lạ hơn, cái tên này dường như gợi ít cảm xúc như nó từng có trước đây. “Tôi mong muốn gọi nó là các kim loại bất thường chứ không còn là kim loại lạ nữa”, Patel nói.
Đồng tác giả với Patel trong nghiên cứu này là Haoyu Guo, Ilya Esterlis, Subir Sachdev của trường Harvard.
Thanh Hương tổng hợp
Nguồn: https://phys.org/news/2023-08-scientists-mechanism-characteristic-properties-strange.html
https://www.eurekalert.org/news-releases/998457
————————————-
1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq6011
