Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các công cụ kính hiển vi có độ phân giải cao để nhìn vào hoạt động bên trong của một loại chất siêu dẫn khác thường, uranium ditelluride (UTe2). Các phép đo của họ cho thấy bằng chứng mạnh mẽ rằng vật liệu này có thể là một ngôi nhà tự nhiên của một quasiparticle kỳ lạ đã được giấu khỏi các nhà vật lý trong nhiều thập kỷ.
Theo đuổi hạt – đó là một trò chơi mà rất nhiều nhà vật lý chơi. Đôi khi cuộc săn lùng diễn ra bên trong các siêu tàu lớn, nơi cần có những va chạm ngoạn mục để tìm ra các hạt ẩn và vật lý mới. Đối với các nhà vật lý nghiên cứu chất rắn, trò chơi xảy ra ở một môi trường khác biệt và các hạt tìm kiếm không đến từ những va chạm dữ dội. Thay vào đó, các thực thể giống như hạt được gọi là các quasiparticles xuất hiện từ các tương tác điện tử phức tạp xảy ra sâu bên trong một vật liệu. Đôi khi các quasiparticles dễ thăm dò nhưng những người khác khó phát hiện hơn, ẩn nấp ngoài tầm với.
Giờ đây, một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois do nhà vật lý Vidya Madhavan dẫn đầu phối hợp với các nhà nghiên cứu từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia, Đại học Maryland, Boston College và ETH Zurich đã sử dụng các công cụ kính hiển vi có độ phân giải cao để ngang hàng tại các hoạt động bên trong của một loại chất siêu dẫn khác thường, uranium ditelluride (UTe2). Các phép đo của họ cho thấy bằng chứng mạnh mẽ rằng vật liệu này có thể là một ngôi nhà tự nhiên của một quasiparticle kỳ lạ đã được giấu khỏi các nhà vật lý trong nhiều thập kỷ. Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature ngày 26 tháng 3 .
Các hạt trong câu hỏi đã được lý thuyết hóa vào năm 1937 bởi một nhà vật lý người Ý tên là Ettore Majorana và kể từ đó, các nhà vật lý đã cố gắng chứng minh rằng chúng có thể tồn tại. Các nhà khoa học nghĩ rằng một loại vật liệu đặc biệt gọi là chất siêu dẫn không theo quy tắc có thể tự nhiên chứa Majorana. UTe2 có thể có tất cả các thuộc tính phù hợp để sinh ra các quasiparticles khó nắm bắt này.
Madhavan chia sẻ: “Chúng tôi biết tính chất vật lý của các chất siêu dẫn thông thường và hiểu làm thế nào chúng có thể dẫn điện hoặc vận chuyển điện tử từ đầu dây này sang đầu dây khác mà không có điện trở. Các chất siêu dẫn độc đáo của Chirus hiếm hơn nhiều, và vật lý ít được biết đến. Hiểu chúng là quan trọng đối với vật lý cơ bản và có các ứng dụng tiềm năng trong điện toán lượng tử”.
Bên trong một chất siêu dẫn bình thường, các electron kết hợp theo cách cho phép dòng điện không tổn hao, liên tục. Điều này trái ngược với một dây dẫn bình thường như dây đồng nóng lên khi dòng điện đi qua nó. Một phần của lý thuyết đằng sau tính siêu dẫn đã được hình thành từ nhiều thập kỷ trước bởi ba nhà khoa học tại U of I, người đã giành được giải thưởng Nobel về vật lý cho công trình của họ. Đối với loại siêu dẫn thông thường này, từ trường là kẻ thù và phá vỡ các cặp, đưa vật liệu trở lại bình thường. Trong năm ngoái, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng uranium ditelluride hoạt động khác đi.
Năm 2019, Sheng Ran, Nicholas Butch (cả hai đồng tác giả của nghiên cứu này) và các cộng tác viên của họ tuyên bố rằng UTe2 vẫn siêu dẫn khi có từ trường lên tới 65 Tesla, mạnh hơn nam châm tủ lạnh khoảng 10.000 lần. Hành vi độc đáo này kết hợp với các phép đo khác đã khiến các tác giả của bài báo đó phỏng đoán rằng các electron được ghép đôi theo một cách khác thường cho phép chúng chống lại sự phá vỡ. Việc ghép đôi rất quan trọng vì các chất siêu dẫn có đặc tính này rất có thể có các hạt Majorana trên bề mặt. Nghiên cứu mới từ Madhavan và các cộng tác viên củng cố trường hợp này.
Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một kính hiển vi có độ phân giải cao gọi là kính hiển vi quét đường hầm để tìm kiếm bằng chứng về sự ghép cặp electron bất thường và các hạt Majorana. Kính hiển vi này không chỉ có thể vạch ra bề mặt của uranium ditelluride xuống mức nguyên tử mà còn thăm dò những gì đang xảy ra với các electron. Các vật liệu chính là bạc với các bước nhô lên khỏi bề mặt. Các tính năng bước này là nơi bằng chứng cho các quasiparticles Majorana được nhìn thấy rõ nhất. Nếu dự đoán là chính xác, chúng cung cấp một cạnh rõ ràng sẽ hiển thị chữ ký của một dòng điện liên tục di chuyển theo một hướng, ngay cả khi không áp dụng điện áp. Nhóm nghiên cứu quét hai bên đối diện của bước và thấy một tín hiệu với một đỉnh. Nhưng đỉnh là khác nhau tùy thuộc vào phía nào của bước được quét.
Nhìn vào cả hai phía của bước, bạn thấy một tín hiệu là hình ảnh phản chiếu của nhau. Trong một chất siêu dẫn bình thường, bạn không thể tìm thấy điều đó. Giải thích tốt nhất để xem hình ảnh phản chiếu là nhóm của Madhavan đang đo trực tiếp sự hiện diện của các hạt Majorana đang di chuyển. Nhóm nghiên cứu nói rằng các phép đo chỉ ra rằng các quasipart Majorana di chuyển tự do đang lưu thông cùng nhau theo một hướng, tạo ra các tín hiệu được nhân đôi hoặc choper.
Madhavan cho biết bước tiếp theo là thực hiện các phép đo xác nhận rằng vật liệu đã phá vỡ tính đối xứng đảo ngược thời gian. Điều này có nghĩa là các hạt sẽ di chuyển khác nhau nếu mũi tên thời gian bị đảo ngược về mặt lý thuyết. Một nghiên cứu như vậy sẽ cung cấp bằng chứng bổ sung cho bản chất đối kháng của UTe2.
Nếu được xác nhận, uranium ditelluride sẽ là vật liệu duy nhất ngoài chất siêu lỏng He-3 được chứng minh là một chất siêu dẫn không theo quy tắc. “Đây là một khám phá khổng lồ sẽ cho phép chúng ta hiểu loại siêu dẫn hiếm gặp này, và có thể, trong thời gian đó, chúng ta thậm chí có thể điều khiển các quasiparticles Majorana theo cách hữu ích cho khoa học thông tin lượng tử.”
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Kỹ thuật Illinois Grainger College . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :