Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Sự tồn tại của dòng siêu dẫn, hay siêu dẫn, dọc theo bên ngoài của chất siêu dẫn rất khó tìm thấy nhưng giờ đây các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra các siêu dẫn cạnh này trong một vật liệu vừa là chất siêu dẫn vừa là bán kim loại tôpô. Bằng chứng này cho tính siêu dẫn topo có thể giúp cung cấp nền tảng cho các ứng dụng trong điện toán lượng tử và các công nghệ tương lai khác.
Một khám phá rằng các nhà vật lý lảng tránh đã được phát hiện trong phòng thí nghiệm tại Princeton. Một nhóm các nhà vật lý đã phát hiện ra dòng siêu dẫn – dòng điện tử mà không lãng phí năng lượng – dọc theo rìa ngoài của vật liệu siêu dẫn. Phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Science ngày 1 tháng 5 .
Chất siêu dẫn mà các nhà nghiên cứu nghiên cứu cũng là một bán kim loại tôpô, một vật liệu đi kèm với các đặc tính điện tử khác thường của nó. Phát hiện này cho thấy những cách để mở ra một kỷ nguyên mới của “siêu dẫn topo” có thể có giá trị cho điện toán lượng tử.
Nai Phuan Ong, Giáo sư Vật lý của Dave Higgins của Princeton và tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “Theo hiểu biết của chúng tôi, đây là quan sát đầu tiên về siêu dòng cạnh trong bất kỳ chất siêu dẫn nào. Câu hỏi thúc đẩy của chúng tôi là, Điều gì xảy ra khi phần bên trong của vật liệu không phải là chất cách điện mà là chất siêu dẫn? Những tính năng mới lạ nào phát sinh khi siêu dẫn xảy ra trong một vật liệu tôpô?”
Mặc dù các chất siêu dẫn thông thường đã được sử dụng rộng rãi trong hình ảnh cộng hưởng từ (MRI) và các đường truyền đường dài, các loại siêu dẫn mới có thể giải phóng khả năng vượt qua các giới hạn của các công nghệ quen thuộc của chúng ta.
Các nhà nghiên cứu tại Princeton và các nơi khác đã khám phá mối liên hệ giữa chất siêu dẫn và chất cách điện tôpô – những vật liệu có hành vi điện tử không tuân thủ là chủ đề của Giải thưởng Vật lý năm 2016 cho F. Duncan Haldane, Giáo sư Vật lý của Đại học Sherman Fairchild của Princeton.
Chất cách điện tôpô là những tinh thể có phần bên trong cách điện và bề mặt dẫn điện giống như một chiếc bánh được bọc trong giấy thiếc. Khi tiến hành vật liệu, các electron có thể nhảy từ nguyên tử này sang nguyên tử khác cho phép dòng điện chạy qua. Chất cách điện là vật liệu trong đó các electron bị kẹt và không thể di chuyển. Tuy nhiên, thật tò mò, các chất cách điện tôpô cho phép sự di chuyển của các điện tử trên bề mặt của chúng nhưng không ở bên trong chúng.
Để khám phá tính siêu dẫn trong vật liệu tôpô, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang một vật liệu tinh thể gọi là molybdenum ditelluride, có đặc tính tôpô và cũng là chất siêu dẫn khi nhiệt độ giảm xuống dưới 100 milliKelvin, nhiệt độ thấp hơn -5 độ Fahrenheit.
Stephan Kim, một sinh viên tốt nghiệp ngành kỹ thuật điện, người đã thực hiện nhiều thí nghiệm cho biết: “Hầu hết các thí nghiệm được thực hiện cho đến nay đều liên quan đến việc cố gắng” siêu dẫn “vào vật liệu tôpô bằng cách đặt một vật liệu gần với vật liệu kia. Điều khác biệt trong phép đo của chúng tôi là chúng tôi đã không tiêm chất siêu dẫn và chúng tôi đã có thể hiển thị chữ ký của các trạng thái cạnh.”
Đầu tiên, nhóm nghiên cứu đã phát triển các tinh thể trong phòng thí nghiệm và sau đó làm nguội chúng đến nhiệt độ nơi xảy ra hiện tượng siêu dẫn. Sau đó, họ áp dụng một từ trường yếu trong khi đo dòng điện qua tinh thể. Họ quan sát thấy rằng một đại lượng được gọi là dòng tới hạn hiển thị các dao động, xuất hiện dưới dạng mô hình răng cưa, khi từ trường tăng lên.
Cả chiều cao của dao động và tần số dao động đều phù hợp với dự đoán về cách các dao động này phát sinh từ hành vi lượng tử của các điện tử giới hạn ở các cạnh của vật liệu.
Các nhà nghiên cứu từ lâu đã biết rằng tính siêu dẫn phát sinh khi các electron, thường di chuyển ngẫu nhiên, liên kết thành twos để tạo thành cặp Cooper, theo một nghĩa nhảy theo cùng một nhịp. “Một sự tương đồng thô bạo là một tỷ cặp vợ chồng thực hiện cùng một vũ đạo có kịch bản chặt chẽ”.
Kịch bản mà các electron đang theo được gọi là hàm sóng của chất siêu dẫn có thể được coi gần như là một dải ruy băng kéo dài dọc theo chiều dài của dây siêu dẫn. Hàm xoắn nhẹ của hàm sóng buộc tất cả các cặp Cooper trong một dây dài di chuyển với cùng vận tốc như một “siêu lỏng” – nói cách khác hoạt động như một bộ sưu tập duy nhất chứ không phải như các hạt riêng lẻ – chảy mà không tạo ra nhiệt.
Nếu không có xoắn dọc theo dải băng, tất cả các cặp Cooper đều đứng yên và không có dòng chảy. Nếu các nhà nghiên cứu đưa chất siêu dẫn vào từ trường yếu, điều này sẽ góp phần bổ sung cho sự xoắn mà các nhà nghiên cứu gọi là từ thông, đối với các hạt rất nhỏ như electron, tuân theo quy luật cơ học lượng tử.
Các nhà nghiên cứu dự đoán rằng hai người đóng góp cho số vòng xoắn, vận tốc siêu lỏng và từ thông, phối hợp với nhau để duy trì số vòng xoắn như một số nguyên chính xác, toàn bộ số như 2, 3 hoặc 4 thay vì 3,2 hoặc a 3.7. Họ dự đoán rằng khi từ thông tăng lên một cách trơn tru, vận tốc siêu lỏng sẽ tăng theo mô hình răng cưa khi vận tốc siêu lỏng điều chỉnh để hủy thêm .2 hoặc thêm .3 để có được số vòng xoắn chính xác.
Nhóm nghiên cứu đã đo dòng siêu lỏng khi họ biến đổi từ thông và thấy rằng thực sự có thể nhìn thấy mô hình răng cưa.
Trong molybdenum ditelluride và các loại khác được gọi là bán kết Weyl, cặp electron này trong cặp khối xuất hiện để tạo ra một cặp tương tự trên các cạnh.
Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng lý do tại sao siêu dòng cạnh vẫn độc lập với siêu dòng lớn hiện chưa được hiểu rõ. Ong đã so sánh các electron chuyển động tập thể còn được gọi là ngưng tụ với các vũng chất lỏng.
“Từ những kỳ vọng cổ điển, người ta sẽ mong đợi hai vũng chất lỏng tiếp xúc trực tiếp để hợp nhất thành một”, Ong nói. “Tuy nhiên, thí nghiệm cho thấy rằng ngưng tụ cạnh vẫn khác biệt với phần lớn của tinh thể.”
Nhóm nghiên cứu suy đoán rằng cơ chế giữ cho hai phần ngưng tụ không bị trộn lẫn là sự bảo vệ tôpô được thừa hưởng từ các trạng thái cạnh được bảo vệ trong molybdenum ditelluride. Nhóm này hy vọng sẽ áp dụng kỹ thuật thử nghiệm tương tự để tìm kiếm các chất siêu dẫn cạnh trong các chất siêu dẫn độc đáo khác. Có lẽ có rất nhiều điểm trong số đó.
Tài trợ cho nghiên cứu này được cung cấp bởi Văn phòng Nghiên cứu Quân đội Hoa Kỳ, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Quỹ Khoa học Quốc gia và Quỹ Gordon và Betty Moore.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Princeton . Bản gốc được viết bởi Catherine Zandonella. Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :