Chỉ cần vặn nhẹ hai lớp graphene đặt chồng lên nhau, ta sẽ đạt được hiệu ứng siêu dẫn

Khi điện lần đầu xuất hiện, nó đã cách mạng hóa thế giới. Điện có nhiệt độ cao với điện trở thấp sẽ là thứ cách mạng hóa đồ điện - bước cách mạng tiếp theo. Hạt mang diện sẽ di chuyển mà ít tốn năng lượng hơn dẫn tới hiệu năng cao hơn, đồ điện hiệu quả hơn và vận hành đỡ tốn kém hơn, chi phí năng lượng giảm hay thậm chí ta sẽ có được một máy tính lượng tử tốt hơn hiện tại.

Các nhà khoa học đang bước một bước gần hơn tới mục tiêu ấy, với một chút "ma thuật" giúp sức.

Nhóm nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts MIT, Harvard và Viện Khoa học Vật chất Quốc gia Nhật Bản đã tạo nên một thứ vật chất siêu dẫn mới, chế tạo từ 2 tờ carbon chỉ dày bằng một nguyên tử, có hai chiều – thứ vật chất còn được biết tới với cái tên graphene.

Chất siêu dẫn là một hệ thống mà ở đó các electron có thể di chuyển mà không bị ngăn trở. Nhưng tấm graphene mới này có thể hoạt động khác biệt với chất bán dẫn thông thường, vẫn lưu giữ được những đặc tính của chất bán dẫn chỉ với một chút thay đổi nhỏ.

"Đây là một khám phá bất ngờ đối với chúng tôi, sau khi đã nghiên cứu graphene rất kỹ lưỡng", Pablo Jarillo-Herrero, nhà khoa học tại MIT, người đứng sau hai nghiên cứu mới về đặc tính mới của graphene này. Ông nêu bật rằng hệ thống trên "có những đặc điểm giống với siêu dẫn nhiệt độ cao và vẫn cần phải tìm hiểu thêm".

Các nguyên tử carbon ở mỗi tấm graphene nằm ở mỗi góc của hình sáu cạnh. Nếu như đặt hai tấm y như nhau lên nhau và chậm rãi xoay một tấm, các hình sáu cạnh này sẽ tạo thành một khuôn mẫu Moire – hình ảnh lặp lại của các khoảng trống tạo nên nhờ những đường giao nhau. Như thế này đây:

Với một lần xoay nhẹ hay như cách các nhà khoa học gọi, là "ma thuật", họ đã làm hệ thống bối rỗi và nghĩ rằng mỗi đơn vị hình sáu cạnh to hơn bình thường rất nhiều. Giây thứ nhất của video trên có thể cho bạn thấy điều đó. Những thay đổi này này khiến cho vị trí của các hạt electron thay đổi.

Thoạt nhìn, thì hệ thống này giống như một chất cách ly Mott – một hệ thống mà tương tác giữa hạt ngăn không cho các electron di chuyển. Nhưng khi đưa vào đó một điện trường, một chút điện năng thì hệ thống sẽ biến thành chất siêu dẫn. Các nhà nghiên cứu không chỉ xuất bản một, mà tới tận hai báo cáo khoa học về khám phá này. Tất cả đều đã được đăng tải trên tạp chí uy tín Nature.

Thông thường, chất siêu dẫn là những chất rắn đạt tới một mức độ siêu lạnh, nhiệt độ mà khi đó các electron sẽ bắt cặp với nhau. Những cặp electron này sẽ có những đặc tính mới, cho phép chúng di chuyển mà không gặp điện trở. Nhưng chất siêu dẫn mới và khác lạ này – hai tấm graphene ghép vào nhau này – lại không đi theo quy luật ấy.

Các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu những chất siêu dẫn tương tự như vậy được một thời gian rồi. Họ mong muốn tin ra được một hệ thống siêu dẫn có thể truyền tải điện mà không tốn quá nhiều năng lượng, không tốn công làm lạnh toàn bộ hệ thống dẫn xuống mức cực thấp. Một số người đã quan sát được tính siêu dẫn nhiệt độ cao xuất hiện trong một số chất, được gọi là "cuprate" nhưng dù mang tên "nhiệt độ cao", nó vẫn ở khoảng -128 độ C.

Một tấm graphene cũng vẫn cần nhiệt độ cực thấp để mà trở thành chất siêu dẫn, khoảng -271 độ C. Nhưng khi vặn tấm graphene 2D đi một chút, khả năng siêu dẫn của nó cao hơn, dễ nghiên cứu hơn nhiều.

"Để có thể nghiên cứu được thứ vật lý này, thông thường bạn phải cần tới 100 thiết bị khác nhau", Jarillo-Herrero nói. "Tại đây, bạn có thể chỉ dùng một thiết bị duy nhất có thể được điều khiển bằng điện. Đó là điều tuyệt nhất mà chúng tôi làm được. Nghiên cứu toàn bộ chỗ này chỉ bằng một thiết bị duy nhất". Ông nghĩ rằng sẽ còn nhiều thứ nữa chưa được khám phá ở hai tấm graphene này.

Những nhà khoa học khác cũng vui mừng với khám phá trên. "Nó thể hiện được cho chúng tôi thấy rằng nền tảng này còn quá nhiều thứ vật lý mới, những ứng dụng khả thi mới mà chúng tôi sẽ phải tiếp tục tìm hiểu", nhà vật lý học Angela Hight Walker nói với Gizmodo. Bà chỉ ra rằng đã có người thử vặn vật liệu 2D trước đây, nhưng đây mới là lần đầu tiên có được kết quả khả quan. Tính chất siêu dẫn rất khó đạt được lại có thể bật/tắt chỉ bằng cách vặn vật chất.

Còn quá nhiều thứ ta chưa biết, có thể nghiên cứu và áp dụng với vật chất graphene. Nhiều nhà khoa học tin tưởng rằng cuộc cách mạng công nghệ tiếp theo sẽ xoay quanh thứ vật liệu kỳ diệu này.