Hình nón Dirac có thể tồn tại trong những màng mỏng bismuth-antinomy

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa thực hiện những phép tính cho thấy “hình nón Dirac” tồn tại trong những màng mỏng chế tạo bằng bismuth và antinomy. Đây là một kết quả bất ngờ vì cho đến nay những hình nón như thế chỉ được nhìn thấy ở graphene và chất liệu họ hàng của nó, graphyne. Mặc dù những tiên đoán trên chưa được kiểm tra trong phòng thí nghiệm – và chỉ áp dụng ở những nhiệt độ cực thấp – nhưng các nhà nghiên cứu hi vọng màng mỏng có thể tìm thấy công dụng trong những dụng cụ điện tử thế hệ tiếp theo.

Hình nón Dirac là những chi tiết trong cấu trúc dải điện tử của một chất liệu 2D trong đó dải dẫn và dải hóa trị gặp nhau tại một điểm duy nhất ở mức Fermi. Hai dải tiến đến điểm này theo đường thẳng, nghĩa là động năng hiệu dụng của các electron dẫn (và lỗ trống) tỉ lệ thuận với xung lượng của chúng. Mối liên hệ khác lạ này thường chỉ thấy đối với các photon, chúng không có khối lượng, vì năng lượng của electron và những hạt vật chất khác ở những vận tốc phi tương đối tính thường phụ thuộc vào bình phương xung lượng của chúng. Kết quả là các electron trong hình nón Dirac hành xử như thể chúng là những hạt tương đối tính không có khối lượng nghỉ, truyền đi qua chất liệu ở những tốc độ cực cao – một tính chất có thể khai thác để chế tạo những transistor cực nhanh.

Shuang Tang và Mildred Dresselhaus. (Ảnh: MIT)

Tốt hơn cả graphene?

Cho đến nay, hình nón Dirac chỉ mới được nhìn thấy ở graphene (và mới đây hơn là graphyne), chất có hai hình nón (không bằng nhau) như thế, nhưng Shuang Tang và Mildred Dresselhaus tại Viện Công nghệ Massachusetts vừa sáng tạo ra một mô hình toán học cho thấy các hình nón Dirac đơn có thể tồn tại trong những màng mỏng bismuth-antinomy 2D. “Không những thế, chúng tôi còn hi vọng hình nón tìm thấy ở bismuth–antimony có thể làm mọi việc mà [hình nón Dirac] graphene có thể làm, và còn làm tốt hơn nữa!” Tang nói. “Chẳng hạn, hình nón Dirac ở graphene là đẳng hướng, cho nên nhiều dụng cụ đa dạng có thể chế tạo từ chất liệu này bị hạn chế. Tuy nhiên, hình nón Dirac với một ngưỡng dị hướng rộng có thể xây dựng trong những màng mỏng bismuth – antinomy, cái có thể làm tăng số lượng loại dụng cụ tiềm năng có thể chế tạo được.”

Màng mỏng bismuth – antinomy với hình nón Dirac dẫn điện cực kì tốt đồng thời có độ dẫn nhiệt thấp, hai tính chất khiến chúng là chất liệu nhiệt điện đầy triển vọng – những chất biến nhiệt thành năng lượng điện hữu ích. Tang và Dresselhaus cho biết họ có thể tạo ra những hình nón giả Dirac với những dải khe khác nhau, làm tăng đáng kể entropy mang trên mỗi hạt mang điện (một số đo hiệu suất nhiệt điện) ở chất liệu mà không phá hủy sự dẫn điện. “Về cơ bản, đối với nhiệt điện tử học bạn cần có một sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu của một mẩu chất nếu bạn muốn tạo ra một dòng điện,” Tang giải thích. “Về phương diện này, màng mỏng bismuth – antinomy có thể đặc biệt hấp dẫn cho những ứng dụng trên trạm vũ trụ và vệ tinh, nơi điện năng có thể phát ra bằng cách khai thác sự chênh lệch nhiệt độ giữa phía đối diện Mặt trời và phía xa Mặt trời của phi thuyền.”

Những ứng dụng điện tử học

Theo Tang, những màng mỏng trên còn có thể tạo nên chất liệu cơ sở cho những dụng cụ điện tử học thế hệ tiếp theo.”Tốc độ electron trong những dụng cụ chế tạo bằng bismuth – antinomy sẽ cao gấp hàng trăm lần so với tốc độ electtron trong những dụng cụ silicon hiện nay,” ông nói. “Đồng thời, thực tế thì những dị hướng khả năng của hình nón có thể dựng nên ở đây có nghĩa là những dụng cụ khác nhau có thể chế tạo từ cùng một họ chất liệu, làm tiết kiệm đáng kể chi phí sản xuất.”

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nano Letters.

Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com