Một 'Quỷ' Vô Hình Lurks trong Một Vật Liệu Siêu Dẫn Điện Lạ

Phiên bản gốc của câu chuyện này xuất hiện trong Tạp chí Quanta

Năm 1956, David Pines đã đưa ra một điềm báo. Ông dự đoán sự tồn tại của những đợt sóng điện có thể triệt tiêu lẫn nhau, làm cho biển tổng thể trở nên đứng yên nguyên vẹn trong khi các sóng cá thể luân phiên trào lưu. Sự kỳ lạ, sau này được biết đến là quỷ của Pines, sẽ là điện trung hòa và do đó không thể nhìn thấy được bằng ánh sáng - định nghĩa của việc khó phát hiện. Quỷ sẽ nảy sinh tự nhiên từ các electron trong các khối kim loại nhưng không thể được phát hiện. Bây giờ, một nhóm các nhà vật lý tại Đại học Illinois, Urbana-Champaign dường như đã nhìn thấy quỷ của Pines. Sau khi làm rõ một kỹ thuật để theo dõi chính xác các electron khi chúng va đập vào vật liệu, nhóm đã tạo ra và phát hiện ra một loạt các sóng chu kỳ lan rộng qua đám electron. Các sóng này, mà các nhà vật lý gọi là 'chế độ,' chủ yếu phù hợp với các tính toán của Pines. Các nhà nghiên cứu đã chi tiết hóa các phát hiện của họ trong Nature vào tháng Tám. 'Các chế độ này chưa được nhìn thấy trong 70 năm,' Piers Coleman, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Rutgers nói. Nhưng thí nghiệm mới này somehow 'nắm bắt được các chế độ quỷ này.'

Hãy Tưởng Tượng về Quỷ

Những năm 1950 là thời kỳ bùng nổ trong việc nghiên cứu về electron trong kim loại. Các nhà vật lý đã phát triển một lý thuyết đơn giản hóa bỏ qua xu hướng của electron đẩy lẫn nhau, xem chúng như một loại khí tự do trôi chảy. Năm 1952, Pines và người hướng dẫn của ông, David Bohm, tiến thêm một bước. Sau khi thêm tương tác electron vào lý thuyết về 'khí electron' này, họ phát hiện ra rằng electron có thể tập trung ở một số nơi và lan rộng ở những nơi khác. Những electron tập trung này tạo ra những sóng gọn gàng xen kẽ giữa mật độ cao và thấp xen kẽ (và do đó các khu vực có điện tích cao và thấp hơn).

Pines sau đó đẩy lý thuyết mới này một bước xa hơn nữa. Ông tưởng tượng một vật liệu chứa hai loại khí, mỗi loại được tạo thành từ một loại hạt mang điện tích khác nhau. Cụ thể, ông tưởng tượng một kim loại có 'electron nặng' và 'electron nhẹ'. (Tất cả electron đều giống nhau trong lý thuyết, nhưng trong thế giới thực, các tính chất có thể đo được của chúng phụ thuộc vào môi trường của chúng.) Pines phát hiện ra rằng sóng trong khí đầu tiên có thể làm trung hòa sóng trong khí thứ hai; nơi electron nặng tập trung, electron nhẹ sẽ giảm đi. Sau đó, khi các cụm electron nặng tan ra, các electron nhẹ sẽ tụ tập để lấp đầy các vùng mỏng hơn. Vì một loại khí dày chính xác ở nơi mà loại khí khác mỏng, mật độ electron tổng cộng của cả hai loại cùng nhau—và do đó điện tích tổng cộng và trường điện—sẽ duy trì trung tính và không thay đổi. 'Những thứ có thể đang di chuyển ngay cả khi chúng dường như không di chuyển,' Anshul Kogar, một nhà vật lý vật chất được trao tại Đại học California, Los Angeles, nói.

Ánh sáng chỉ phản chiếu từ các đối tượng có phân bố điện tích không đều, vì vậy sự trung hòa của dao động của Pines làm cho nó hoàn toàn vô hình. Ánh sáng đến dưới dạng gói năng lượng gọi là photon, và Pines đặt tên cho các gói năng lượng của sóng của mình là 'quỷ'. Tên này là một sự thể hiện tới thuật thí nghiệm tư duy của James Clerk Maxwell, một nhà vật lý tiên phong mà, Pines tiếc nuối, đã sống quá sớm để có một hạt hoặc sóng được đặt theo tên của ông. 'Tôi đề xuất rằng, để tôn vinh Maxwell, và bởi vì chúng ta đang làm việc với một trường hợp chuyển động electron rõ ràng (hoặc D.E.M.), chúng ta gọi các kích thích mới này là 'quỷ',' Pines viết vào năm 1956.

Suốt hàng thập kỷ, các nhà vật lý đã nhìn thấy những sóng giống như quỷ trong các vật liệu khác nhau. Năm 1982, các nhà nghiên cứu tại Bell Labs phát hiện ra những sóng đối lập trong các tấm gali arsenua kế cận. Và trong năm nay, một nhóm do Feng Wang của Đại học California, Berkeley, dẫn đầu mô tả một thí nghiệm đã ghi lại được những sóng electron gần như vô hình đập đồng bộ với những sóng mỏng hơn một chút của các đối tượng giống hạt mang điện tích dương trong một tấm graphene.

Nhưng những quan sát như vậy chủ yếu xảy ra trong các hệ thống hai chiều nơi một đặc điểm quỷ định không nổi bật. Do một điểm lạ trong chiều số chiều, trong không gian hai chiều, bạn có thể kích hoạt một sóng điện tích với ít nỗ lực như bạn muốn. Nhưng trong không gian ba chiều, bắt đầu một sóng yêu cầu một lượng năng lượng tối thiểu để các electron không giao tiếp với nhau được đưa lại gần nhau. Những con quỷ điện trung hòa này được miễn phí khỏi mức phí năng lượng 3D này. 'Việc nhìn thấy con quỷ trong một chất rắn ba chiều là đặc biệt một chút,' Kogar nói, người đã thực hiện nghiên cứu tiến sĩ của mình với nhóm Urbana-Champaign.

Nơi Có Quỷ

Nhóm Urbana-Champaign, do Peter Abbamonte dẫn đầu, không bao giờ đi săn quỷ. Con quỷ của Pines đi thẳng vào phòng lab của họ.

Năm 2010, nhóm của Abbamonte bắt đầu phát triển một kỹ thuật để phát hiện các rung chuyển tinh tế lan rộng qua đám electron. Họ sẽ ném một vật liệu bằng electron và ghi chính xác năng lượng chúng mang và đường đi chúng đi khi chúng quay lại. Dựa trên chi tiết của những vụ nảy lại đó, nhóm có thể suy luận ra cách vật liệu phản ứng với va chạm, từ đó tiết lộ các đặc tính của bất kỳ sóng nào mà va chạm tạo ra. Đó giống như xác định xem một bồn tắm có đầy nước, mật ong hay đá bằng cách ném nó bằng bóng bàn.

Một vài năm trước, các nhà nghiên cứu quyết định đặt một kim loại siêu dẫn gọi là strontium ruthenate vào tầm ngắm của họ. Cấu trúc của nó tương tự như một loại siêu dẫn có cơ sở đồng cuprate bí ẩn, nhưng nó có thể được sản xuất một cách trong sạch hơn. Mặc dù nhóm không tìm hiểu bí mật của cuprates, vật liệu phản ứng theo cách mà Ali Husain, người đã làm sáng tỏ kỹ thuật này như một phần của luận án tiến sĩ của mình, không hiểu.

Husain phát hiện ra rằng các electron nảy lại đã bị mất đi năng lượng và động lượng của chúng, điều đó cho thấy rằng chúng đang tạo ra những sóng lan tỏa năng lượng trong strontium ruthenate. Nhưng những sóng này phản đối kỳ vọng của anh: Chúng di chuyển nhanh gấp 100 lần so với sóng âm thanh (mà lan rộng qua hạt nhân nguyên tử) và chậm 1.000 lần so với sóng điện tích lan truyền qua bề mặt phẳng của kim loại. Chúng cũng rất thấp về năng lượng.

“Tôi nghĩ điều đó phải là một hiện tượng nhân tạo,” Husain nói. Vì vậy, anh ta thử nghiệm các mẫu khác, thử các điện áp khác nhau, và thậm chí còn nhờ những người khác đo lường.

Các rung chuyển không xác định vẫn tồn tại. Sau khi thực hiện các phép toán, nhóm nhận ra rằng năng lượng và động lượng của những sóng lan tỏa khớp chặt với lý thuyết của Pines. Nhóm biết rằng trong strontium ruthenate, electron di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác bằng một trong ba kênh riêng biệt. Nhóm kết luận rằng trong hai kênh này, các electron đang đồng bộ hóa để trung hòa chuyển động của nhau, đóng vai trò của các electron 'nặng' và 'nhẹ' trong phân tích ban đầu của Pines. Họ đã tìm thấy một kim loại có khả năng làm chủ của quỷ của Pines.

“Nó ổn định trong strontium ruthenate,” Abbamonte nói. “Nó luôn luôn tồn tại.”

Những sóng lan tỏa không hoàn toàn khớp với các tính toán của Pines. Và Abbamonte cùng đồng nghiệp của ông không thể đảm bảo rằng họ không nhìn thấy một rung chuyển khác, phức tạp hơn. Nhưng nhìn chung, các nhà nghiên cứu khác nói, nhóm đã đưa ra một luận điểm mạnh mẽ cho việc quỷ của Pines đã bị bắt giữ.

“Họ đã thực hiện tất cả các kiểm tra trung thực mà họ có thể thực hiện,” Sankar Das Sarma, một nhà lý thuyết vật chất được rút ra tại Đại học Maryland, người đã tiến hành công việc tiên phong về các rung chuyển quỷ, nói.

Quỷ Được Giải Phóng

Bây giờ khi các nhà nghiên cứu nghi ngờ rằng con quỷ tồn tại trong kim loại thực tế, một số người không thể không tự hỏi liệu những chuyển động đứng yên có bất kỳ tác động nào trong thế giới thực hay không. “Chúng không nên hiếm, và chúng có thể làm những điều,” Abbamonte nói.

Ví dụ, những sóng âm thanh lan tỏa qua lưới kim loại liên kết electron theo một cách dẫn đến siêu dẫn, và vào năm 1981, một nhóm các nhà vật lý đã đề xuất rằng các rung chuyển quỷ có thể gây ra hiện tượng siêu dẫn một cách tương tự. Nhóm của Abbamonte ban đầu đã chọn strontium ruthenate vì tính siêu dẫn phi thường của nó. Có lẽ con quỷ có thể được liên quan.

“Cho dù con quỷ có đóng vai trò hay không hiện tại vẫn chưa biết,” Kogar nói, “nhưng đó là một hạt trong trò chơi.” (Các nhà vật lý thường nghĩ về các sóng với một số tính chất nhất định như các hạt.)

Nhưng sự độc đáo chính của nghiên cứu nằm ở việc phát hiện hiệu ứng kim loại được mong đợi từ lâu. Đối với những nhà lý thuyết vật chất nguyên tử, phát hiện này là một bước kết hợp hài hòa cho một câu chuyện đã 70 năm tuổi.

“Đó là một phụ lục thú vị cho lịch sử sớm của khí electron,” Coleman nói.

Và đối với Husain, người đã hoàn thành bằng cấp của mình vào năm 2020 và hiện đang làm việc tại công ty Quantinuum, nghiên cứu này cho thấy rằng kim loại và các vật liệu khác đầy những rung chuyển kỳ quái mà các nhà vật lý thiếu thiết bị để hiểu.

“Chúng chỉ đang ngồi đó,” anh ta nói, “đợi để được khám phá.”

Câu chuyện gốc được tái bản với sự cho phép từ Tạp chí Quanta, một tờ báo độc lập về biên tập thuộc Tập đoàn Simons có nhiệm vụ tăng cường sự hiểu biết của công chúng về khoa học thông qua việc đưa tin về các phát triển nghiên cứu và xu hướng trong toán học và các ngành khoa học vật lý và sinh học.