Buzz
Các hạt bán fermion Semi-Dirac, có khả năng không mang khối lượng khi di chuyển theo một hướng và lại có khối lượng lớn khi di chuyển theo hướng khác, đã được tìm thấy trong vật liệu ZrSiS. Khám phá này mở ra những cơ hội mới trong công nghệ và khoa học lượng tử, từ các loại pin đến các cảm biến tiên tiến.
Một khám phá quan trọng trong vật lý lượng tử đã được công bố khi các nhà nghiên cứu phát hiện ra một dạng quasiparticle đặc biệt, gọi là Semi-Dirac fermions, trong tinh thể ZrSiS. Phát hiện này hứa hẹn sẽ mang lại những bước tiến đột phá cho công nghệ tương lai. Semi-Dirac fermions có đặc điểm nổi bật: chúng không có khối lượng khi di chuyển theo một hướng, nhưng lại có khối lượng lớn khi di chuyển theo một hướng khác.
Phát hiện này không chỉ khẳng định một hiện tượng lý thuyết được dự đoán từ 16 năm trước, mà còn mở ra khả năng ứng dụng mới trong các lĩnh vực như lưu trữ năng lượng, cảm biến và công nghệ lượng tử.
Khám phá tình cờ nhưng vô cùng giá trị
Semi-Dirac fermions lần đầu tiên được dự đoán vào năm 2008 và 2009 bởi các nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Paris-Sud (Pháp) và Đại học California, Davis (Mỹ). Họ tin rằng có thể tồn tại các quasiparticle với khối lượng thay đổi theo hướng di chuyển: không khối lượng theo một hướng nhưng lại có khối lượng theo hướng còn lại. Tuy nhiên, mãi đến năm 2024, hiện tượng này mới được xác nhận qua nghiên cứu thực nghiệm do các nhà khoa học từ Đại học Penn State và Đại học Columbia thực hiện.
Theo Yinming Shao, trợ lý giáo sư vật lý tại Penn State và là tác giả chính của nghiên cứu, phát hiện này hoàn toàn bất ngờ. "Chúng tôi không hề tìm kiếm Semi-Dirac fermions khi bắt đầu nghiên cứu vật liệu này. Tuy nhiên, những tín hiệu bất thường đã dẫn chúng tôi đến quan sát đầu tiên về loại quasiparticle đặc biệt này", Shao cho biết.
Nghiên cứu được tiến hành trên các tinh thể bán kim loại ZrSiS, một vật liệu có cấu trúc độc đáo. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng phương pháp quang phổ từ trường - chiếu ánh sáng hồng ngoại vào tinh thể dưới tác dụng của từ trường mạnh - để quan sát các phản ứng lượng tử xảy ra bên trong vật liệu.
Semi-Dirac fermions là gì?
Trong thế giới các hạt cơ bản, một số hạt như photon (hạt ánh sáng) không mang khối lượng vì chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng. Khối lượng của một hạt thường phụ thuộc vào năng lượng và vận tốc chuyển động của nó. Tuy nhiên, trong vật liệu rắn, khi các hạt tương tác với nhau, chúng có thể tạo ra các quasiparticle với những tính chất rất khác biệt so với các hạt riêng lẻ.
Semi-Dirac fermions là một ví dụ đặc biệt trong đó các quasiparticle này không có khối lượng khi di chuyển theo một hướng, nhưng lại có khối lượng khi di chuyển theo hướng vuông góc. Đây là hiện tượng mà các nhà vật lý lý thuyết gọi là "dịch chuyển khối lượng theo hướng", một đặc điểm chưa từng thấy ở các quasiparticle khác.
Thí nghiệm trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt
Để nghiên cứu Semi-Dirac fermions, các nhà khoa học đã sử dụng nam châm mạnh nhất thế giới tại Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Quốc gia ở Florida. Tinh thể ZrSiS được làm lạnh xuống -452°F (chỉ cao hơn vài độ so với độ không tuyệt đối) và sau đó tiếp xúc với từ trường mạnh gấp 900.000 lần từ trường của Trái Đất.
Trong điều kiện này, các mức năng lượng của electron trong tinh thể ZrSiS bị lượng tử hóa thành các mức Landau, giống như những bậc thang chỉ tồn tại ở những vị trí cố định. Tuy nhiên, khi phân tích ánh sáng phản xạ từ tinh thể, nhóm nghiên cứu phát hiện các mức năng lượng không tuân theo quy luật thông thường mà tạo ra một mô hình đặc biệt, được gọi là "định lý lũy thừa B^(2/3)". Đây chính là dấu hiệu đặc trưng của Semi-Dirac fermions.
Giải thích hành vi kỳ lạ
Theo Shao, cấu trúc điện tử của ZrSiS có thể được hình dung như một mạng lưới đường ray. Các Semi-Dirac fermions giống như những đoàn tàu nhỏ di chuyển trên mạng lưới này. Khi di chuyển theo một hướng, chúng không gặp phải bất kỳ cản trở nào, giống như không có khối lượng. Nhưng khi chuyển hướng vuông góc, chúng gặp phải sự kháng cự và biểu hiện có khối lượng.
Cấu trúc đa lớp của ZrSiS, tương tự như graphene hay than chì, là yếu tố quyết định tạo nên hiện tượng này. Các lớp nguyên tử trong ZrSiS tương tác theo cách cho phép electron tự do di chuyển theo một số hướng nhưng lại bị hạn chế khi di chuyển theo các hướng khác.
"Điểm giao nhau trong cấu trúc điện tử là nơi mà các Semi-Dirac fermions thể hiện các tính chất đặc biệt của chúng. Việc hiểu rõ cơ chế này sẽ giúp chúng ta kiểm soát và ứng dụng chúng trong công nghệ", Shao chia sẻ.
Tiềm năng ứng dụng công nghệ
Graphene, một dạng carbon có cấu trúc tương tự ZrSiS, đã tạo ra cuộc cách mạng trong các lĩnh vực như pin, siêu tụ điện, cảm biến và thiết bị y tế. Với Semi-Dirac fermions, ZrSiS có thể mở ra những ứng dụng công nghệ mới đầy triển vọng.
Một trong những tiềm năng lớn của ZrSiS là khả năng điều khiển chính xác các tính chất của Semi-Dirac fermions, giống như cách chúng ta khai thác graphene. Đặc biệt, tính chất không khối lượng của các fermion này theo một hướng có thể nâng cao hiệu suất của các thiết bị điện tử, cảm biến lượng tử và các hệ thống lưu trữ năng lượng.
Tuy nhiên, nghiên cứu cũng để lại không ít câu hỏi chưa có lời giải. Shao cho biết: "Dữ liệu của chúng tôi vẫn còn một số ẩn số chưa được giải đáp đầy đủ. Đây là một lĩnh vực mới đầy thử thách, nhưng cũng rất đầy hứa hẹn".
Hướng đi tương lai
Việc phát hiện Semi-Dirac fermions trong ZrSiS không chỉ là một thành công lý thuyết mà còn mở ra cơ hội cho những đột phá trong nghiên cứu vật liệu và công nghệ lượng tử. Nghiên cứu sâu hơn về những tính chất này có thể dẫn đến sự phát triển của các thiết bị công nghệ tiên tiến, cải thiện hiệu suất năng lượng và mở ra các khám phá mới trong thế giới lượng tử.
Sự bất ngờ trong thí nghiệm lần này nhắc nhở chúng ta rằng khoa học luôn đầy ắp những điều không ngờ. Những gì chúng ta chưa hiểu hôm nay có thể chính là chìa khóa mở ra những tiến bộ lớn lao vào ngày mai.
