Các nhà vật lý học vừa phát hiện một trạng thái pha mới lạ của vật chất

Hsieh, GS. Vật lý học, người trước đây đã từng tham gia một nhóm nghiên cứu phát hiện một trạng thái khác của vật chất có tên là chất cách điện dạng tô pô, cho biết "Việc phát hiện ra pha trạng thái này hoàn toàn không có chủ đích và không dựa trên bất kỳ dự đoán mang tính lý thuyết nào trước đó. Toàn bộ lĩnh vực vật liệu điện tử được định hướng bởi việc phát hiện các pha trạng thái mới, từ đó cung cấp cơ sở cho việc nghiên cứu tính chất vật lý vĩ mô hoàn toàn mới".

Hsieh cùng các đồng sự đã mô tả các phát hiện được đăng tải trong ấn bản tháng 11 của tạp chí Nature Physics, bài báo này hiện có thể được tìm kiếm trên mạng Internet. Liuyan Zhao, một học giả nghiên cứu theo chương trình sau tiến sỹ trong nhóm của Hsieh, là tác giả chính của bài viết này.

Các nhà vật lý học đã tình cờ khám phá ra trạng thái pha vật chất này trong quá trình thử nghiệm một kỹ thuật đo dựa trên laser mà nhóm phát triển gần đây nhằm tìm kiếm hiện tượng gọi là trật tự đa cực. Để hiểu rõ về trật tự đa cực, đầu tiên, cần xem xét một tinh thể với các điện tử chuyển động xung quanh bên trong tinh thể đó. Ở mỗi điều kiện nhất định, các điện tích này sẽ xếp hàng theo một cách có trật tự lặp lại bên trong tinh thể, tạo ra pha điện tích có trật tự. Dạng sắp xếp điện tử có trật tự này đơn giản là một đại lượng vô hướng - chỉ có thể được mô tả dưới dạng giá trị số hoặc độ lớn điện tích.

Ngoài khả năng tích điện, các điện tử còn có mức độ chuyển động tự do được biết đến là spin. Khi các spin xếp hàng song song với nhau, chúng tạo thành một chất sắt từ - một loại nam châm mà chúng ta sử dụng trong chế tạo thiết bị tủ lạnh hoặc có thể tìm thấy trên dải từ của thẻ tín dụng. Do dạng sắp xếp điện tử kiểu spin này được biểu thị bằng cả độ lớn và hướng, mỗi pha spin có trật tự được mô tả bằng một vectơ.

Trong nhiều thập kỷ mới đây, các nhà vật lý học đã xây dựng các kỹ thuật tinh vi hơn nhằm tìm kiếm cả hai loại pha vật chất này. Tuy nhiên, điều gì sẽ xảy ra nếu các điện tử trong vật chất không được sắp xếp theo trật tự như đã nói ở trên? Và sẽ ra sao nếu trật tự này được mô tả không bằng một vectơ có hướng hay một thuộc tính vô hướng mà là bằng một dạng có nhiều hạng bậc hơn, chẳng hạn như một ma trận? Điều này có thể xảy ra nếu dạng sắp xếp điện tử có trật tự này là một cặp điện tử có spin đối lập - một chỉ về hướng bắc và một chỉ về hướng nam - hay còn được biết đến là nam châm tứ cực. Ví dụ minh họa cho các pha vật chất đa cực có trật tự này khó có thể xác định được bằng cách sử dụng đầu dò thực nghiệm truyền thống.

Để xác định trật tự đa cực, nhóm của Hsieh đã sử dụng một hiệu ứng gọi là họa âm quang học, thường thấy ở tất cả các vật liệu rắn nhưng thường thì cực kỳ yếu. Thông thường, khi ta nhìn vào một vật được chiếu sáng bởi một tần suất ánh sáng duy nhất, tất cả ánh sáng mà ta nhìn thấy được phản chiếu từ vật ở tại tần số đó. Chẳng hạn, khi ta chiếu một tia laser màu đỏ vào một bức tường, mắt của chúng ta sẽ nhìn thấy ánh sáng màu đỏ. Tuy nhiên, đối với mọi loại vật chất, chỉ có một lượng rất nhỏ ánh sáng bật lại tại tổng các bội số của tần số chính được tạo ra. Do vậy, với tia laser màu đỏ này, chỉ có một ít ánh sáng xanh bật lại trên tường. Ta chỉ không nhìn thấy nó bởi nó quá nhỏ so với toàn bộ lượng ánh sáng thấy được. Các bội số này gọi là họa âm quang học.

Thí nghiệm của nhóm Hsieh đã chứng minh rằng những thay đổi trong tính đối xứng của một tinh thể có ảnh hưởng đến cường độ họa âm theo những cách không giống nhau. Do sự xuất hiện của trật tự đa cực làm thay đổi tính đối xứng của tinh thể theo một dạng thức cụ thể nhất định - dạng thức này có thể không nhận biết được bằng các đầu dò thông thường - ý tưởng về phản ứng họa âm quang học của một tinh thể có thể là dấu hiệu về trật tự đa cực.

Hsieh cho biết “Chúng tôi phát hiện ra rằng ánh sáng phản xạ ở tần số họa âm thứ 2 hé lộ một tập hợp đối xứng hoàn toàn khác với sự đối xứng từ cấu trúc tinh thể đã được biết đến, trong khi đó, hoàn toàn không xảy ra hiệu ứng này đối với ánh sáng phản xạ ở tần số cơ bản. Đây là dấu hiệu xác định rõ ràng về một dạng cụ thể của trật tự đa cực”.

Cụ thể, hợp chất được phân tích là stronti-iridi oxit (Sr₂IrO₄), một trong số những hợp chất tổng hợp thường được gọi là iridate. Với nhiều đặc điểm tương đồng với các hợp chất gốc đồng oxit (cuprate), Sr₂IrO₄ là chủ đề nhận được nhiều sự quan tâm trong cộng đồng vật lý trong nhiều năm qua. Lí do là vì cuprate đại diện cho nhóm vật chất duy nhất biểu hiện được tính siêu dẫn ở nhiệt độ “cao”, nghĩa là trên 100° Kelvin (-173°C). Về mặt cấu trúc, iridate và cuprate tương tự nhau. Và giống như cuprate, iridate biểu hiện các thuộc tính như là các chất phản sắt từ cách điện, các chất này tăng tính kim loại khi điện tử được thêm vào hoặc bớt đi trong quá trình có tên gọi là doping (chất bán dẫn) hóa học. Mức độ doping của các điện tử đủ lớn sẽ làm thay đổi cuprate, cho phép chúng biến thành chất siêu dẫn nhiệt độ cao và trong quá trình biến đổi từ chất cách điện đến chất siêu dẫn, cuprate phải đi qua một pha gọi là pseudogap mà ở đó năng lượng bổ sung phải được áp vào để tước các điện tử khỏi vật chất. Đã có những cuộc tranh cãi nổ ra giữa các nhà nghiên cứu về nguồn gốc của pha pseudogap và mối quan hệ của nó với tính siêu dẫn - liệu nó có phải tiền đề cần thiết của tính siêu dẫn hay một pha cạnh tranh với chuỗi các tính chất đối xứng khác biệt. Nếu mối quan hệ này được nhận thức rõ hơn, các nhà khoa học tin rằng họ có thể phát triển các vật liệu siêu dẫn ở nhiên độ cận nhiệt độ phòng.

Mới đây, pha psuedogap cũng được quan sát thấy trong Sr₂IrO₄ và nhóm nghiên cứu của Hseih vừa phát hiện ra rằng trật tự đa cực mà họ tìm thấy xuất hiện trong giai đoạn doping và ở mức nhiệt độ mà người ta phát hiện ra pseudogap. Các nhà nghiên cứu vẫn đang tìm hiểu xem liệu hai hiện tượng này có bị chồng lặp hay không, tuy nhiên theo Hsieh, nghiên cứu cho thấy có mối liên hệ giữa trật tự đa cực và hiện tượng pseudogap.

Trong nghiên cứu gần đây nhất của các nhóm nghiên cứu khác, dấu hiệu siêu dẫn điện trong Sr₂IrO₄ cùng loại tương tự như dấu hiệu được tìm thấy trong cuprate và với mức độ tương đồng cao giữa iridate và cuprate, iridate có thể sẽ giúp chúng ta tìm ra lời giải cho tranh cãi dai dẳng hiện nay về mối quan hệ giữa pseudogap và siêu dẫn điện ở nhiệt độ cao.

Các trật tự đa cực có thể tồn tại trong nhiều vật chất khác. Sr₂IrO₄ là vật chất đầu tiên mà chúng ta tìm hiểu và nghiên cứu, do đó, các trật tự này có thể vẫn còn tiềm ẩn và chưa được phát hiện trong các vật chất khá.