Phát hiện trạng thái mới của vật chất trong vật liệu hai chiều

Trạng thái này, được gọi là chất lỏng spin lượng tử, làm cho các electron - được cho là khối xây dựng không thể phân chia của thiên nhiên - bị phá vỡ thành nhiều mảnh.

Các nhà nghiên cứu, bao gồm các nhà vật lý của Đại học Cambridge, đã đo các dấu hiệu đầu tiên của các hạt phân mảnh được gọi là hạt fermion Majorana, trong một vật liệu hai chiều có cấu trúc tương tự graphene. Các kết quả thí nghiệm của nhóm nghiên cứu trùng khớp thành công với một trong những mô hình lý thuyết chất lỏng spin lượng tử quan trọng nhất, được gọi là mô hình Kitaev. Các kết quả của nghiên cứu được báo cáo trên tạp chí Nature Materials.

Chất lỏng spin lượng tử là trạng thái bí ẩn của vật chất được cho là đang ẩn náu trong các vật liệu từ tính nào đó, nhưng đã không được thấy trong tự nhiên một cách chắc chắn.

Việc quan sát thấy một trong các tính chất hấp dẫn nhất của chúng - phân tách electron hay phân mảnh hóa - trong các vật liệu thực tế là một bước đột phá. Các hạt fermion Majorana thu được có thể được sử dụng như các khối xây dựng của máy tính lượng tử.

"Đây là một trạng thái lượng tử mới của vật chất, đã được dự đoán nhưng chưa được nhìn thấy trước đây", Tiến sĩ Johannes Knolle của Phòng thí nghiệm Cavendish ở Cambridge, một trong các đồng tác giả của bài báo cho biết.

Trong một vật liệu từ tính điển hình, mỗi electron hành xử như các thanh nam châm nhỏ. Và khi một vật liệu được làm lạnh đến một nhiệt độ đủ thấp, các 'nam châm' này sẽ tự sắp xếp, vì vậy, ví dụ, tất cả các cực bắc chỉ cùng một hướng.

Nhưng trong một vật liệu chứa trạng thái spin lỏng, ngay cả khi vật liệu được làm lạnh đến độ không tuyệt đối, các thanh nam châm sẽ không sắp hàng mà tạo thành một mớ vướng víu do các dao động lượng tử.

"Cho đến gần đây, chúng tôi thậm chí không biết những dấu hiệu thử nghiệm của một chất lỏng spin lượng tử sẽ như thế nào", đồng tác giả bài báo, Tiến sĩ Dmitry Kovrizhin của Nhóm Thuyết Chất ngưng tụ của Phòng thí nghiệm Cavendish, cho biết. "Một trong những điều chúng tôi đã làm trong công trình nghiên cứu trước đây là để đặt ra câu hỏi, nếu tôi đang thực hiện các thí nghiệm trên một chất lỏng spin lượng tử, nếu có, thì tôi sẽ quan sát thấy gì?".

Knolle và các đồng tác giả đến từ Phòng thí nghiệm Kovrizhin sử dụng kỹ thuật tán xạ neutron để tìm kiếm bằng chứng thực nghiệm của sự phân mảnh hóa trong các tinh thể của rutheni clorua (RuCl3). Các nhà nghiên cứu đã kiểm tra các tính chất từ tính của các tinh thể RuCl3 bằng cách chiếu sáng chúng bằng các neutron và quan sát mô hình của những gợn sóng mà các neutron tạo ra trên màn hình.

Một nam châm thông thường sẽ tạo ra những điểm sắc nét riêng biệt, nhưng các hạt fermion Majorana sẽ sắp xếp theo mô hình nào trong một chất lỏng spin lượng tử vẫn còn là một bí ẩn. Các dự đoán lý thuyết về dấu hiệu riêng biệt của Knolle và các cộng sự của ông vào năm 2014 phù hợp cao với những gì các nhà thực nghiệm quan sát trên màn hình, cung cấp bằng chứng trực tiếp đầu tiên cho một chất lỏng spin lượng tử và sự phân mảnh hóa của các electron trong một vật liệu hai chiều. "Đây là một sự bổ sung mới vào một danh sách ngắn các trạng thái lượng tử được biết của vật chất", Knolle nói.

"Đây là một bước quan trọng đối với sự hiểu biết của chúng ta về trạng thái lượng tử", Kovrizhin nói. "Thật thú vị để có một trạng thái lượng tử mới mà chúng ta chưa bao giờ thấy trước đây. Nó đem lại cho chúng ta khả năng mới để thử nghiệm những điều mới".

N.L.H (Theo Physorg)