Graphene mang lại một bất ngờ lượng tử mới

Các nhà vật lí ở Mĩ và Đức vừa phát hiện ra một tính chất bất ngờ khác của “chất liệu thần kì” graphene – nó biểu hiện một hiệu ứng Hall lượng tử phân số (FQHE) khác với hiệu ứng nhìn thấy ở những chất liệu bình thường. Kết quả trên sẽ quan trọng trong việc nghiên cứu các tương quan giữa những hạt tương đối tính và còn có thể giúp phát triển các máy vi tính lượng tử trong tương lai.

FQHE xảy ra khi các hạt mang điện như electron bị giam giữ trong một mặt phẳng 2D, như ở graphene, và chịu một từ trường vuông góc theo trục Z. Nếu một dòng điện chạy theo trục X, thì sẽ xuất hiện một hiệu điện thế - hiệu điện thế Hall – theo trục Y. Ở những nhiệt độ rất thấp, hiệu điện thế này bị lượng tử hóa thành những bậc rời rạc hay các trạng thái Hall.

Đầu dò hiển vi transistor quét electron độc thân, nhìn qua lỗ ngắm vào buồng chân không hiển vi. (Ảnh: Yacoby)

Điện tích phân số

FQHE khác với hiệu ứng Hall lượng tử nguyên được biết rõ hơn và là kết quả của sự tương tác mạnh giữa các electron xảy ra trong một số chất liệu. Những tương tác này làm cho những hạt mang điện trong một chất liệu FQHE hành xử giống như những giả hạt có điện tích bằng một phân số của điện tích electron. Những giả hạt tích điện phân số này tuân theo cái gọi là thống kê phân số, một đặc điểm có thể quan trọng trong việc phát triển các máy vi tính lượng tử trong tương lai. Ngoài FQHE, những tương tác mạnh này thường dẫn tới những hiện tượng tập thể quan trọng như sự siêu dẫn, từ tính và sự siêu chảy. Do đó, việc tìm hiểu các tương tác mạnh có tầm quan trọng cơ bản trong ngành vật lí vật chất ngưng tụ.

Graphene là một lớp carbon tinh thể chỉ dày một nguyên tử và khác với những chất liệu khác ở chỗ các electron mang điện của nó lao vù vù với tốc độ cực cao, hành xử giống như những hạt tương đối tính không có khối lượng nghỉ. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng các hạt tích điện tương đối tính ở graphene tương tác mạnh với nhau và hiện tượng này có thể phát hiện ra dưới dạng FQHE.

Chuỗi trạng thái không bình thường

Amir Yacoby và các đồng sự tại trường Đại học Harvard và Viện Vật lí Chất Rắn Max Planck vừa chứng minh rằng FQHE ở graphene khác với ở những chất liệu khác. “Chúng tôi tìm thấy một chuỗi trạng thái [Hall lượng tử phân số] khác thường ở graphene, đó là một hệ quả của những đối xứng cơ bản trong chất liệu này,” Yacoby giải thích. “Những trạng thái này giúp chúng ta hiểu rõ sự tác động qua lại giữa những đối xứng này và các tương tác electron-electron trong graphene.”

Các nhà nghiên cứu thu được kết quả của họ bằng cách sử dụng một transistor quét electron độc thân (SET) để khảo sát những mẫu graphene lơ lửng chịu tác dụng của một từ trường ngoài. SET là một loại dụng cụ khảo sát cục bộ đặc biệt không xâm hại. Nó đo sự có mặt của các khe năng lượng trong phổ điện tử của những chất liệu với độ nhạy mà không có kĩ thuật nào khác sánh kịp và do đó thật lí tưởng để khảo sát những hiện tượng như FQHE.

“Một kết quả quan trọng nữa của nghiên cứu của chúng tôi là có tồn tại những vùng nhỏ graphene rất sạch, ngay cả khi mẫu vĩ mô tương đối bẩn,” Ben Feldman, một thành viên đội nghiên cứu, nói.

Nghiên cứu các tương tác electron-electron

Những thí nghiệm trên còn củng cố cho nghiên cứu trước đó chứng minh rằng các electron trong graphene tương tác mạnh và cơ sở vật lí thu được rất khác với cái quan sát thấy ở những hệ thường gặp hơn. “Do đó graphene là một chất liệu hứa hẹn cho việc nghiên cứu các tương tác electron-electron,” Yacoby nói.

Đội nghiên cứu hiện đang có kế hoạch tiếp tục khảo sát FQHE khác lạ ở graphene. “Chúng tôi đặc biệt muốn hiểu rõ hơn các electron có trật tự như thế nào trong những trạng thái FQHE khác nhau,” Yacoby nói. “Chúng tôi cũng muốn tìm hiểu về FQHE ở những chất liệu có liên quan như graphene lớp đôi.”

Tham khảo: http://www.sciencemag.org/content/337/6099/1196

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com