Các nhà vật lý 'lắng nghe' tiếng ồn điện để giải mã bí ẩn vật liệu siêu dẫn

Lắng nghe dòng điện

Việc điều chỉnh tiếng ồn điện tử có thể cho chúng ta biết liệu các electron đã ghép đôi hay chưa.

Chất siêu dẫn mang điện trở bằng không, nhưng hầu hết chỉ hoạt động ở nhiệt độ chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài độ. Vào cuối những năm 1980, các vật liệu gốc đồng gọi là cuprate được phát hiện là có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn—có thể đạt được bằng nitơ lỏng giá rẻ. Thế nhưng gần 40 năm sau, các nhà vật lý vẫn chưa thống nhất được lý do tại sao.

Trong một nghiên cứu gần đây trên tạp chí Science, một nhóm nhà vật lý do Milan Allan thuộc Đại học Ludwig Maximilian ở Munich và Ingmar Swart thuộc Đại học Utrecht ở Hà Lan dẫn đầu đã tìm ra một số câu trả lời bằng cách lắng nghe tiếng lách tách điện yếu ớt của dòng điện chạy vào cuprate.

Các electron biến mất

Trung tâm của bí ẩn về tính siêu dẫn nhiệt độ cao của cuprate là một trạng thái kỳ lạ gọi là pseudogap (vùng trống giả). Allan cho biết: "Pseudogap là một hiện tượng thiếu hụt electron". Trên nhiệt độ mà cuprate trở thành siêu dẫn, một số electron của chúng dường như biến mất—các phép đo tìm thấy ít hơn rất nhiều ở mức năng lượng mà đáng lẽ chúng phải có. Allan nói: "Mọi người đều biết từ các đầu dò khác nhau rằng có những electron biến mất này, nhưng không ai biết tại sao".

Trong nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã đưa ra hai lời giải thích chính cạnh tranh nhau. Giả thuyết thứ nhất cho rằng các electron bị kẹt trong một số loại cấu trúc nào đó. Theo quan điểm này, các điện tử đóng băng thành các dạng mẫu, chẳng hạn như sóng mật độ điện tích, và tính siêu dẫn phát triển tách biệt.

Lời giải thích thay thế liên kết chặt chẽ hiện tượng này với tính siêu dẫn. Allan nói: "Những người khác nghĩ rằng chúng biến mất vì chúng tạo thành các cặp". Các cặp electron, được gọi là cặp Cooper, là những thứ mang dòng điện trong chất siêu dẫn. Nếu khi vật liệu nguội đi, các cặp này xuất hiện trước khi vật liệu trở thành siêu dẫn, chúng sẽ là tiền đề của tính siêu dẫn, giống như một phòng chờ nơi các cặp tồn tại nhưng chưa thể di chuyển cùng nhau.

Việc giải quyết vấn đề này tỏ ra vô cùng khó khăn. Allan cho biết: "Rất nhiều dấu hiệu thực nghiệm khác nhau bị gộp lại bên trong thứ này". Các dụng cụ khác nhau đều nhìn thấy một cái gì đó, nhưng các kết quả đọc được của chúng, theo Allan, không bao giờ có tính quyết định. Ông nói: "Nó luôn là một thứ gì đó không mạch lạc, khó nắm bắt". Điều mà các nhà nghiên cứu cần là một cách để nhìn thấy các cặp trực tiếp, và Allan cùng các đồng nghiệp của ông đã tìm ra điều đó.

Những hạt mưa nặng hơn

Nhóm nghiên cứu quyết định lắng nghe tiếng ồn hạt (shot noise)—những dao động nhỏ do sự xuất hiện của các điện tích riêng lẻ tạo nên dòng điện. Allan nói rằng nó giống như tiếng mưa gõ trên mái nhà. Allan chia sẻ: "Nếu bạn tưởng tượng rằng bạn có những hạt mưa và rồi đột nhiên bạn làm cho các hạt mưa nặng gấp đôi, sẽ có nhiều tiếng ồn hơn". "Với các electron cũng tương tự như vậy. Nếu bạn có hai electron luôn đi cùng nhau, bởi vì chúng liên quan đến việc ghép cặp, thì sẽ có nhiều tiếng ồn hơn".

Các nhà nghiên cứu đã thực hiện phép đo này bằng kính hiển vi quét chui hầm, truyền dòng điện giữa đầu kim siêu nhọn và mẫu cuprate, cho phép họ nghe tiếng ồn ở các mức năng lượng cụ thể và các vị trí khác nhau trên bề mặt. Trong các chất siêu dẫn thông thường, việc ghép cặp tạo ra sự nhân đôi rõ rệt của tiếng ồn. Ở cuprate, tín hiệu yếu hơn nhiều vì các electron đơn lẻ tiếp tục chuyển động song song với các cặp.

Để làm cho thiết bị đủ nhạy để phân biệt các cặp đã mất nhiều năm. Allan nói: "Những gì cần thiết là những sinh viên rất tài năng và kiên trì, những người đã làm việc trong khoảng bốn năm cho việc này để làm cho nó hoạt động. Không có một mẹo đơn lẻ nào. Đó là sự khéo léo về điện tử".

Bước nhảy tại khe năng lượng

Nhóm nghiên cứu đã kiểm tra các tinh thể cuprate được gọi là BSCCO, được làm lạnh đến nhiệt độ cao hơn độ không tuyệt đối vài độ, và so sánh tiếng ồn với mức năng lượng mà các electron biến mất. Bằng cách điều chỉnh điện áp giữa đầu kim và mẫu, nhóm nghiên cứu có thể chọn năng lượng của các electron mà họ đang nghe, giống như vặn nút đài phát thanh.

Nhóm suy luận rằng nếu pseudogap hoàn toàn đến từ các mẫu bị đóng băng, tiếng ồn bổ sung của việc ghép cặp sẽ chỉ xuất hiện ở các mức năng lượng liên quan đến tính siêu dẫn. Thay vào đó, việc ghép cặp xuất hiện ngay tại năng lượng pseudogap.

Allan cho biết: "Việc có nhiều tiếng ồn hơn cho thấy việc ghép cặp có liên quan đến khe năng lượng lớn này". Năng lượng của pseudogap thay đổi từ điểm này sang điểm khác trên bề mặt, nhưng bất cứ nơi nào nhóm nghiên cứu lắng nghe, tiếng ồn bổ sung luôn bắt đầu tăng lên ở năng lượng pseudogap cục bộ. Mô hình tương tự cũng được giữ nguyên ở các mẫu có thành phần hóa học khác nhau.

Việc loại trừ các nguồn tiếng ồn khác, chẳng hạn như các nguyên tử dịch chuyển trên bề mặt, tốn rất nhiều công sức. Allan nói: "Tiếng ồn rất khó giải thích, và đó cơ bản là thứ khiến chúng tôi mất ngủ nhiều nhất". Kiểm tra mang tính quyết định liên quan đến việc đặt các mẫu trong từ trường lên tới sáu tesla, làm triệt tiêu việc ghép cặp trong khi vẫn giữ nguyên mô hình tổng thể của các electron bị thiếu. Khi từ trường tăng lên, tiếng ồn giảm trở lại mức electron đơn, chính xác như mong đợi nếu các cặp đứng sau nó.

Cường độ ghép cặp electron có thể được biểu thị bằng năng lượng cần thiết để kéo một cặp tách rời nhau. Việc hạ thấp nhiệt độ giúp tăng cường ghép cặp vì vật liệu càng ấm, các hạt của nó va chạm càng mạnh và càng có nhiều cặp bị phá vỡ.

Trong các chất siêu dẫn thông thường, hai thành phần cần thiết cho tính siêu dẫn—sự hình thành cặp và sự đồng bộ pha—xảy ra đồng thời tại nhiệt độ tới hạn. (Sự đồng bộ pha là lúc các electron bắt đầu di chuyển cùng nhau như một chất lỏng). Trong cuprate, nghiên cứu của Allan và Swart chỉ ra một trình tự khác.

Năng lượng ghép cặp mà nhóm đo được nằm ở mức cao hơn nhiều so với nhiệt độ mà vật liệu trở thành siêu dẫn. Swart cho biết: "Vì vậy, bức tranh hiện ra là trước tiên bạn có các cặp được hình thành trước, và sau đó chỉ ở nhiệt độ thấp hơn, sự đồng bộ pha mới thiết lập". Điều đó cho thấy nút thắt cổ chai siêu dẫn không phải là làm cho các electron ghép cặp, mà là làm cho các cặp di chuyển cùng nhau.

Allan cho biết: "Nếu bạn có sự ghép cặp ở mức năng lượng cao như vậy, điều đó có nghĩa là bạn có thể đẩy Tc [nhiệt độ siêu dẫn] lên cao hơn. Đây là điều mọi người hy vọng vào những ngày đầu tiên của cuprate, và bây giờ mọi người đều sợ ngay cả khi nhắc đến điều đó. Nhưng đối với tôi nó mang lại hy vọng".

Tiết chế hy vọng

Một cách diễn giải lạc quan về kết quả là các electron cuprate về lý thuyết có thể ghép đôi ở nhiệt độ phòng, và chúng ta chỉ cần làm cho chúng đồng bộ để đạt được chất siêu dẫn nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu nghĩ rằng điều đó hơi ngây thơ.

Allan nói: "Tôi nghĩ cả Ingmar và tôi đều tin rằng mọi chuyện sẽ không đơn giản như vậy, bởi vì bạn có đủ loại hiệu ứng khác nhau được ghép nối ở đó".

Các nghiên cứu cũng nhấn mạnh rằng thí nghiệm của họ không trả lời đầy đủ câu hỏi cốt lõi. Nó loại bỏ ý tưởng rằng pseudogap chỉ đến từ các mẫu đóng băng, nhưng không loại trừ việc các mẫu đó đan xen với việc ghép cặp.

Swart cho biết: "Bất kể lời giải thích chi tiết về pseudogap là gì, việc ghép cặp phải là một phần của nó".

Do kỹ thuật được sử dụng trong nghiên cứu bị mất độ nhạy khi nhiệt độ tăng lên, nhóm vẫn chưa thể nghe ở trên nhiệt độ siêu dẫn, nơi pseudogap thường được xác định. Allan nói: "Hy vọng các nhóm khác sẽ làm điều đó. Điều gì giới hạn Tc, đặc biệt là nếu năng lượng ghép cặp cao? Điều gì xảy ra ở Tc? Đối với tôi đó là câu hỏi thú vị nhất".

Swart muốn tạo ra các bản đồ tiếng ồn của bề mặt với độ phân giải cao hơn và cuối cùng là một công cụ có thể phát hiện sự đồng bộ trực tiếp, mà ông hy vọng sẽ cung cấp cho chúng ta các dấu hiệu riêng biệt cho sự khởi đầu của sự đồng bộ pha và ghép cặp electron.

Trong khi đó, Allan ngày càng nghĩ rằng con đường dẫn đến các chất siêu dẫn tốt hơn thông qua hóa học, được hỗ trợ bởi AI, thay vì vật lý thuần túy. Ông nói: "Khi nói đến việc cố gắng làm cho vật liệu siêu dẫn tốt hơn và tăng Tc, tôi có nhiều hy vọng hơn vào việc thử và sai trực tiếp".