Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa tạo ra những mẩu graphene nhân tạo đầu tiên có những tính chất điện tử có thể điều khiển được theo một kiểu không thể nào có ở dạng graphene tự nhiên. Những mẩu chất đó có thể dùng để nghiên cứu tính chất của cái gọi là fermion Dirac, cái mang lại cho graphene nhiều tính chất điện tử độc nhất vô nhị của nó. Nghiên cứu có thể dẫn tới việc chế tạo ra một thế hệ mới những chất liệu và dụng cụ lượng tử với hành trạng hết sức kì lạ.
Graphene là một lớp nguyên tử carbon được tổ chức thành một mạng lưới tổ ong. Các nhà vật lí biết rằng những hạt, như electron, chuyển động qua một cấu trúc như thế hành xử như thể chúng không có khối lượng và chuyển động qua chất liệu ở tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Những hạt này được gọi là fermion Dirac không có khối lượng và hành trạng của chúng có thể khai thác trong nhiều ứng dụng đa dạng, ví dụ như các transistor hoạt động nhanh hơn bất kì transistor nào hiện có.
Graphene “phân tử” mới, như tên nó được đặt, giống với graphene tự nhiên, ngoại trừ ở chỗ các tính chất điện tử cơ bản của nó có thể điều chỉnh dễ dàng hơn nhiều. Nó được tạo bằng cách sử dụng một kính hiển vi quét chui hầm nhiệt độ thấp với đầu nhọn – gồm các nguyên tử iridium – có thể dùng để định vị riêng từng phân tử carbon monoxide trên một chất nền bằng đồng dẫn, nhẵn hoàn hảo. Carbon monoxide đẩy các electron chuyển động tự do trên bề mặt đồng và “ép” chúng tạo thành hình tổ ong, trong đó chúng hành xử giống như các electron graphene không có khối lượng – theo giải thích của Hari Manoharan, người lãnh đạo nhóm nghiên cứu tại trường Đại học Stanford.
Ảnh minh họa graphene nhân tạo. Các phân tử carbon monoxide (màu đen) dẫn các electron (màu vàng cam) vào một cái khuôn hình tổ ong gần như hoàn hảo được đặt tên là graphene phân tử. (Ảnh: Hari Manoharan/Stanford University)
Mô tả bởi Dirac
“Chúng tôi đã xác nhận các electron graphene là những fermion Dirac không có khối lượng bằng cách đo phổ dẫn của các electron chuyển động trong chất liệu của chúng tôi,” Manoharan nói. “Chúng tôi đã chứng minh rằng các kết quả phù hợp với phương trình Dirac hai chiều cho những hạt không khối lượng đang chuyển động ở tốc độ ánh sáng chứ không phải phương trình Schrödinger quen thuộc cho các electron có khối lượng.”
Rồi các nhà nghiên cứu còn thành công trong việc điều chỉnh tính chất của các electron ở graphene phân tử bằng cách di chuyển vị trí của các phân tử carbon monoxide trên bề mặt đồng. Sự di chuyển này có tác dụng làm biến dạng cấu trúc mạng để nó trông như bị ép lại theo một trục nào đó – cái làm cho các electron hành xử như thể chúng bị tác dụng bởi một từ trường hay một điện trường mạnh, mặc dù không có trường nào thật sự như thế tác dụng hết. Đội khoa học đã có thể điều chỉnh mật độ electron trên bề mặt đồng bằng cách đưa các khiếm khuyết hay tạp chất vào trong hệ.
“Việc nghiên cứu những mạng nhân tạo như thế theo kiểu này nhất định có thể đưa đến những ứng dụng công nghệ, nhưng chúng còn mang lại một mức độ điều khiển mới trên các fermion Dirac và cho phép chúng ta truy xuất thực nghiệm đến nhiều hiện tượng cho đến nay chỉ có thể nghiên cứu trên tính toán lí thuyết,” Manoharan nói. “Việc đưa vào những tương tác có thể điều chỉnh giữa các electron có thể cho phép chúng ta tạo ra chất lỏng spin ở graphene, chẳng hạn, và quan sát hiệu ứng Hall spin lượng tử nếu chúng ta có thể thành công trong việc đưa vào các tương tác spin-quỹ đạo giữa các electron.”
Manoharan cho biết thêm rằng graphene phân tử chỉ là chất liệu đầu tiên thuộc loại cấu trúc lượng tử “designer” này, và ông hi vọng có thể tạo ra những chất liệu nano khác có các tính chất tô pô học kì lạ, sử dụng những kĩ thuật từ dưới lên giống như vậy.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature 483 306.
Alpha Physics – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
