Các nhà nghiên cứu của Đại học Cornell đã sử dụng hình ảnh từ tính để lần đầu tiên quan sát trực tiếp cách các electron di chuyển trong một loại chất cách điện đặc biệt, cho phép họ phát hiện ra rằng dòng vận chuyển chạy qua bên trong vật liệu chứ không phải xung quanh các cạnh như các nhà khoa học đã giả định từ lâu.
Khám phá này làm sáng tỏ động lực học của điện tử trong các chất cách điện Hall dị thường lượng tử và giúp giải quyết cuộc tranh luận kéo dài hàng thập kỷ về cách dòng điện chạy trong các chất cách điện Hall lượng tử tổng quát hơn. Những hiểu biết sâu sắc này sẽ cung cấp thông tin cho việc phát triển các vật liệu tôpô cho các thiết bị lượng tử thế hệ tiếp theo. Bài báo của nhóm nghiên cứu
gần đây đã được xuất bản trên tạp chí Nature Materials. Tác giả đầu tiên của bài báo là Matt Ferguson, một tiến sĩ. trong 22 năm và hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Viện Vật lý Hóa học Chất rắn Max Planck ở Đức.
Hiệu ứng Hội trường Lượng tử
Dự án do Katja Nowack, trợ lý giáo sư vật lý tại Trường Cao đẳng Nghệ thuật và Khoa học, đồng thời là tác giả chính của bài báo, dẫn đầu, bắt nguồn từ cái được gọi là hiệu ứng Hall lượng tử. Hiệu ứng Hall lượng tử, được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1980, gây ra một hiện tượng bất thường khi từ trường tác dụng lên một vật liệu cụ thể: phần bên trong của một mẫu khối trở thành chất cách điện, trong khi dòng điện di chuyển theo một hướng dọc theo mép ngoài. Điện trở bị lượng tử hóa hoặc bị giới hạn ở một giá trị được xác định bởi hằng số phổ quát cơ bản và giảm xuống bằng 0.
Chất cách điện Hall dị thường lượng tử, được phát hiện lần đầu tiên vào năm 2013, đạt được hiệu quả tương tự bằng cách sử dụng vật liệu từ hóa. Quá trình lượng tử hóa vẫn xảy ra, lực cản dọc biến mất và các electron tăng tốc dọc theo rìa mà không tiêu tán năng lượng, hơi giống chất siêu dẫn.
Phá vỡ ý tưởng mốt nhất thời
"Hình ảnh dòng điện chạy dọc theo một cạnh là một cách hay để giải thích cách thức lượng tử hóa xảy ra. Nhưng hóa ra đó không phải là hình ảnh duy nhất có thể giải thích sự lượng tử hóa", Novak nói. "Bức tranh rìa này đã thống trị kể từ sự nổi lên ngoạn mục của các chất cách điện tôpô vào đầu thế kỷ này. Sự phức tạp của điện áp cục bộ và dòng điện cục bộ phần lớn đã bị lãng quên. Trên thực tế, những tình huống này có thể phức tạp hơn nhiều so với bức tranh rìa cho thấy."
Hiện chỉ có một số vật liệu được biết đến là chất cách điện Hall dị thường lượng tử. Trong nghiên cứu mới của họ, nhóm của Nowak tập trung vào antimon Telluride bismuth pha tạp crom – hợp chất tương tự lần đầu tiên được quan sát thấy có hiệu ứng Hall dị thường lượng tử cách đây một thập kỷ.
Mẫu được trồng bởi các cộng tác viên do giáo sư vật lý Nitin Samart của bang Pennsylvania đứng đầu. Để quét vật liệu, Nowak và Ferguson đã sử dụng Thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID) trong phòng thí nghiệm của họ, một cảm biến từ trường cực kỳ nhạy, có thể hoạt động ở nhiệt độ đông lạnh và phát hiện các từ trường cực nhỏ. SQUID ghi lại hình ảnh hiệu quả của dòng điện (chịu trách nhiệm về từ trường) và sau đó kết hợp những hình ảnh này để tái tạo lại mật độ dòng điện.
Nowak cho biết: "Dòng điện chúng tôi đang nghiên cứu rất nhỏ nên rất khó đo. Chúng tôi cần định lượng chính xác mẫu ở nhiệt độ dưới một Kelvin. Tôi tự hào vì chúng tôi đã làm được điều đó."
Discovery và Future Tác động
Khi các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng các electron di chuyển trong phần lớn vật liệu, thay vì ở các rìa của ranh giới, họ bắt đầu xem xét kết luận của các nghiên cứu trước đó. Họ phát hiện ra rằng trong những năm sau khi hiệu ứng Hall lượng tử được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1980, đã có rất nhiều cuộc tranh luận về nơi xảy ra dòng điện tử, một cuộc tranh luận mà hầu hết các nhà khoa học vật liệu non trẻ đều không biết đến.
Cô nói: “Tôi hy vọng rằng thế hệ mới làm việc trên các vật liệu tôpô sẽ chú ý đến công trình này và mở lại cuộc tranh luận. Rõ ràng là chúng ta thậm chí không hiểu một số khía cạnh rất cơ bản của những gì xảy ra trong các vật liệu tôpô”. "Nếu chúng ta không hiểu dòng điện chạy như thế nào thì chúng ta thực sự biết gì về những vật liệu này?
Trả lời những câu hỏi này cũng có thể liên quan đến việc chế tạo những thiết bị phức tạp hơn, chẳng hạn như kỹ thuật lai ghép các chất siêu dẫn với chất cách điện Hall dị thường lượng tử để tạo ra các trạng thái vật chất kỳ lạ hơn.
"Tôi muốn biết liệu hiện tượng mà chúng ta quan sát được có phải là hiện tượng không áp dụng cho các hệ thống vật liệu khác nhau. Có thể ở một số vật liệu, dòng điện chạy khác đi", Nowak nói. "Đối với tôi, điều này làm nổi bật vẻ đẹp của vật liệu tôpô - rằng hành vi của chúng trong các phép đo điện được xác định bởi các nguyên tắc rất chung, không phụ thuộc vào các chi tiết vi mô. Tuy nhiên, việc hiểu những gì đang xảy ra ở quy mô vi mô là rất quan trọng, cho cả sự hiểu biết cơ bản của chúng ta và cho các ứng dụng. Sự tương tác giữa các nguyên tắc và sắc thái chung này là điều làm cho việc nghiên cứu các vật liệu tôpô trở nên hấp dẫn và hấp dẫn".