"Bóng ma" siêu dẫn: Chi tiết ẩn đằng sau hiện tượng truyền điện không điện trở

Đằng sau câu chuyện quen thuộc về các vật liệu siêu dẫn—những kim loại có khả năng dẫn điện hoàn hảo mà không mất mát năng lượng khi được làm lạnh sâu—vật lý hiện đại vừa phát hiện một chi tiết ít ai ngờ tới. Thông thường, người ta vẫn tin rằng trạng thái siêu dẫn chỉ xuất hiện khi các electron bắt đầu liên kết thành từng cặp tại một nhiệt độ tới hạn nhất định. Tuy nhiên, một nghiên cứu từ Đại học Illinois Urbana-Champaign công bố trên tạp chí PNAS đã chỉ ra rằng các cặp electron này có thể tự hình thành từ trước, lưu lại dấu vết như một "bóng ma" lượng tử ngay cả khi trạng thái siêu dẫn chính thức đã biến mất. [1]

Từ cặp Cooper kinh điển đến bài toán vật liệu phi truyền thống

Để hiểu được vì sao hiện tượng này lại gây kinh ngạc, cần nhìn lại nền tảng của lý thuyết siêu dẫn truyền thống. Các electron thuộc nhóm hạt fermion, vốn tuân theo nguyên lý loại trừ lượng tử khiến chúng không thể tồn tại trong cùng một trạng thái năng lượng. Điều này tạo ra rào cản tự nhiên đối với dòng điện thông thường. Thuyết BCS được các nhà vật lý John Bardeen, Leon Cooper và Robert Schrieffer đề xuất năm 1957 đã giải thích cách tự nhiên vượt qua rào cản này: thông qua tương tác với lưới tinh thể kim loại, hai electron có thể kết hợp lại thành một cặp Cooper. [1]

Khác với các electron đơn lẻ, cặp Cooper lại hoạt động giống như hạt boson. Đặc tính này cho phép vô số cặp electron cùng hội tụ vào một trạng thái lượng tử năng lượng thấp và di chuyển mượt mà qua lòng kim loại mà không chịu lực cản. Thuyết BCS đã giải thích thành công phần lớn hiện tượng siêu dẫn cho đến năm 1986, khi các nhà khoa học phát hiện ra nhóm vật liệu siêu dẫn "phi truyền thống". Ở những hợp chất mới này, electron vẫn kết cặp nhưng cơ chế hoạt động của chúng nằm ngoài các giả định ban đầu của thuyết BCS, mở ra một bài toán hóc búa kéo dài nhiều thập kỷ. [1]

Giả thuyết về sóng mật độ cặp và "nụ cười con mèo Cheshire"

Trong các vật liệu siêu dẫn phi truyền thống, sự phân bố của điện tích thường tạo ra những hiện tượng kỳ lạ. Một trong số đó là sóng mật độ điện tích (CDW), nơi điện tích electron không trải đều mà phân bố thành các chuỗi lặp đi lặp lại. Đến năm 2007, nhà vật lý Eduardo Fradkin cùng các đồng nghiệp đã đưa ra một dự đoán lý thuyết táo bạo: bản thân các cặp Cooper cũng có thể tự sắp xếp thành một cấu trúc sóng không đều tương tự, gọi là sóng mật độ cặp (PDW). [1]

Dự đoán này đi kèm một hệ quả đột phá. Trong khi các cặp Cooper ở siêu dẫn thông thường chỉ xuất hiện khi vật liệu đã chuyển sang trạng thái siêu dẫn hoàn toàn, thì sóng mật độ cặp lại có thể tồn tại ở mức nhiệt độ cao hơn ngưỡng tới hạn đó. Nhà nghiên cứu Eduardo Fradkin ví sóng mật độ cặp như nụ cười của con mèo Cheshire trong truyện cổ tích—dấu vết còn sót lại khi bản thể đã biến mất. Nó cho thấy các cặp electron chịu trách nhiệm cho hiện tượng siêu dẫn thực ra đã được nhào nặn từ trước trong một trạng thái tiền đề khác. [1]

Hợp chất uranium ditelluride và manh mối từ từ trường

Để kiểm chứng giả thuyết này, các nhà vật lý cần một vật liệu đủ đặc biệt. Từng được coi là một kim loại bình thường, uranium ditelluride gây chú ý vào năm 2019 khi được phát hiện có khả năng siêu dẫn ở nhiệt độ dưới 2 Kelvin. Các phép đo sau đó khiến giới khoa học nghi ngờ đây là một mẫu vật liệu siêu dẫn cặp bộ ba cực kỳ hiếm gặp, nơi các cặp electron sở hữu mô-men từ—tương tự như trạng thái siêu lưu của Helium-3 từng mang về giải Nobel cho nhà vật lý Anthony Leggett. [1]

Khi nhóm nghiên cứu của Giáo sư Vidya Madhavan sử dụng kính hiển vị quét đường hầm (STM) để thám sát bề mặt uranium ditelluride, họ phát hiện ra sự hiện diện của sóng mật độ điện tích. Tuy nhiên, mẫu sóng này lại phản ứng bất thường khi đặt trong từ trường: từ trường có thể làm tan biến cấu trúc sóng. Về mặt lý thuyết, sóng mật độ điện tích đơn thuần không có lý do gì để bị triệt phá bởi từ trường. Sự can thiệp của nhà lý thuyết Eduardo Fradkin đã đưa đến giải thích hợp lý nhất: sóng mật độ điện tích này đang đan cài chặt chẽ với một sóng mật độ cặp ẩn bên dưới. [1]

Tinh thể siêu sạch và kỹ thuật quan sát bề mặt

Sóng mật độ cặp là một trạng thái vô cùng mỏng manh. Trong các thí nghiệm trước đây, những tạp chất nhỏ nhất bên trong mạng tinh thể cũng đủ làm mờ tín hiệu, tương tự như việc cố gắng nhìn một ngọn đèn ẩn sau lớp sương mù dày đặc. Bước ngoặt chỉ đến khi các nhà khoa học tổng hợp được các mẫu tinh thể uranium ditelluride có độ tinh khiết cao hơn hẳn nhờ phương pháp tăng trưởng dòng dung môi nóng chảy. [1]

Kết hợp với hệ thống kính hiển vị quét đường hầm sử dụng từ trường vectơ hiện đại, nhà nghiên cứu Zhen Zhu và các cộng sự đã có thể quét bề mặt vật liệu dưới nhiều hướng từ trường và mức nhiệt độ khác nhau. Khả năng xoay chuyển hướng từ trường linh hoạt là chìa khóa quyết định đối với uranium ditelluride, một vật liệu có tính bất đẳng hướng mạnh. Nhờ đó, nhóm nghiên cứu đã ghi nhận được các phản ứng phổ đúng chính xác như những gì lý thuyết sóng mật độ cặp từng mô tả. [1]

"Bóng ma" lượng tử và góc nhìn mới về trạng thái tiền siêu dẫn

Phát hiện quan trọng nhất xuất hiện khi nhóm nghiên cứu chủ động nâng nhiệt độ của hệ thống. Ngay cả khi nhiệt độ đã vượt qua mốc tới hạn và trạng thái siêu dẫn chính thức biến mất, một số chế độ dao động của sóng mật độ cặp vẫn tiếp tục duy trì. Đây là bằng chứng thực nghiệm trực tiếp đầu tiên xác nhận dự đoán rằng các cặp electron có thể bắt đầu hình thành từ trạng thái bình thường trước khi cuộc chuyển pha siêu dẫn diễn ra. [1]

Dù phương pháp STM hiện tại chỉ ghi nhận được các hiện tượng xảy ra trên bề mặt thay vì toàn bộ thể tích bên trong của vật liệu, phát hiện này vẫn mang lại một manh mối vô giá. Việc tìm thấy "bóng ma" của trạng thái siêu dẫn không chỉ củng cố bức tranh lý thuyết về các vật liệu phi truyền thống, mà còn mở ra hướng đi mới trong việc chủ động điều khiển và thiết kế các vật liệu lượng tử ở nhiệt độ cao hơn trong tương lai. [1]