Các electron cung cấp năng lượng cho xã hội chúng ta di chuyển trái phải qua mạch điện trong các thiết bị điện tử, qua lại dọc theo các đường dây truyền tải tạo nên lưới điện, và lên xuống để thắp sáng mọi tầng của mọi tòa nhà. Nhưng các electron trong "tinh thể moiré" mới được phát hiện lại di chuyển theo những cách kỳ lạ hơn nhiều. Chúng có thể di chuyển trái phải, qua lại, hoặc lên xuống trong thế giới ba chiều của chúng ta, nhưng những electron này cũng hoạt động như thể chúng có thể dịch chuyển tức thời vào và ra khỏi chiều không gian thứ tư bí ẩn vuông góc với thực tại mà chúng ta cảm nhận được. Các nhà vật lý đã phát hiện ra rằng hành vi lượng tử kỳ lạ, mới được phát hiện này không liên quan gì đến bản thân các electron mà liên quan đến môi trường vật chất kỳ lạ mà chúng sinh sống.
Các electron trong tinh thể moiré nhảy vào chiều thứ tư thông qua một quá trình gọi là “đường hầm lượng tử”. Trong khi một quả bóng đá nằm dưới chân đồi sẽ ở yên đó cho đến khi có người nhặt nó lên, một hạt lượng tử trong thung lũng có thể tự nhảy ra ngoài. Đường hầm lượng tử có vẻ kỳ diệu đối với chúng ta, nhưng nó khá phổ biến trong thế giới lượng tử vi mô, ở thang độ dài của nguyên tử. Đường hầm lượng tử cũng rất quan trọng ở thang độ dài lớn hơn, đặc biệt là trong các mạch siêu dẫn lớn, nền tảng của một lĩnh vực công nghệ lượng tử đang nổi lên, như đã được công nhận bởi Giải Nobel Vật lý năm 2025.
Tuy nhiên, hiện tượng xuyên hầm lượng tử trong tinh thể moiré lại khác, ở chỗ, một khi electron xuyên hầm, các nhà vật lý đã đo được rằng nó hoạt động như thể nó đã xuyên vào một thế giới hoàn toàn khác và quay trở lại, như thể nó đã được vận chuyển qua một chiều không gian "tổng hợp" thứ tư.
Trong một bài báo được công bố gần đây trên tạp chí Nature, một nhóm các nhà nghiên cứu của MIT đã hiện thực hóa một kỹ thuật có thể mở rộng quy mô được mong đợi từ lâu để sản xuất vật liệu moiré chất lượng cao dưới dạng tinh thể moiré, khắc phục được nút thắt cổ chai về vật liệu cho các ứng dụng điện tử thế hệ tiếp theo. Ngoài ra, các electron trong các tinh thể này hoạt động như thể chúng có thể dịch chuyển tức thời qua chiều không gian thứ tư, mở ra một phương pháp vật liệu khả thi để hiện thực hóa nhiều dự đoán lý thuyết về siêu dẫn đa chiều.
Sự hoàn hảo như pha lê
Để tạo ra vật liệu moiré, các nhà vật lý trước tiên bắt đầu với các vật liệu hai chiều (2D) mỏng ở cấp độ nguyên tử, chẳng hạn như các tấm carbon mỏng nhất được gọi là graphene. Vật liệu moiré có thể được tạo ra bằng cách kết hợp các tấm riêng lẻ của cùng một vật liệu 2D và xoắn chúng qua lại so với nhau. Vật liệu moiré cũng có thể được tạo ra bằng cách kết hợp hai vật liệu 2D khác nhau rất giống nhau, nhưng không hoàn toàn giống nhau, điều này đảm bảo rằng chúng không bao giờ có thể hoàn toàn khớp với nhau ngay cả khi được căn chỉnh cẩn thận. Cả hai phương pháp này đều tạo ra các mẫu giao thoa phức tạp, trong đó các lớp riêng lẻ của vật liệu moiré gần như thẳng hàng ở một số khu vực và lệch rõ rệt ở những khu vực khác. Các nhà vật lý gọi những mẫu này là "siêu mạng moiré", được đặt tên theo các loại vải Pháp cổ có hoa văn đẹp tương tự được tạo ra bằng cách chồng hai mẫu dệt khác nhau.
Trong hơn một thập kỷ qua, vật liệu moiré đã hoàn toàn định hình lại cách các nhà vật lý thiết kế và kiểm soát các tính chất vật liệu lượng tử, và các phòng thí nghiệm vật lý tại MIT là cái nôi của những khám phá mang tính đột phá trong lĩnh vực nghiên cứu ngày càng phát triển này. Pablo Jarillo-Herrero, Giáo sư Vật lý Cecil và Ida Green tại MIT, và Raymond Ashoori, giáo sư vật lý tại MIT, là những người tiên phong áp dụng các kỹ thuật mới để chế tạo vật liệu moiré. Cùng nhau vào năm 2014, phòng thí nghiệm của họ đã phát hiện ra rằng các electron trong vật liệu moiré được làm từ graphene và vật liệu 2D boron nitride tồn tại trong một fractal lượng tử phức tạp được gọi là “bướm Hofstadter”. Năm 2018, phòng thí nghiệm của Jarillo-Herrero đã phát hiện ra rằng vật liệu moiré được tạo ra bằng cách xoắn hai tấm graphene là mảnh đất màu mỡ cho hiện tượng siêu dẫn phi truyền thống, mà theo một số tiêu chí, là một trong những chất siêu dẫn mạnh nhất từng được phát hiện. Long Ju, Phó Giáo sư Vật lý Lawrence C. và Sarah W. Biedenharn, cùng phòng thí nghiệm của ông đã phát hiện vào năm 2024 rằng vật liệu moiré được làm từ graphene đa lớp và boron nitride khiến các electron bị tách thành các mảnh nhỏ, một hiện tượng lượng tử trước đây được cho là chỉ xảy ra ở từ trường cực mạnh, nhưng nay đã được hiện thực hóa mà không cần đến từ trường.
Điểm chung trong tất cả các thí nghiệm này, và cả những thí nghiệm được thực hiện trên khắp thế giới, là những nỗ lực không ngừng nghỉ của sinh viên và nghiên cứu sinh sau tiến sĩ trong việc lắp ráp cẩn thận các thiết bị vật liệu moiré bằng tay, từng cái một. Để tạo ra một thiết bị vật liệu moiré, các vật liệu 2D như graphene được bóc tách bằng băng dính từ các tinh thể giống đá, chẳng hạn như than chì. Sau đó, màng polymer dính và kính hiển vi cho phép các nhà nghiên cứu nhặt các vật liệu 2D khác nhau từng cái một với một trình tự góc xoắn chính xác. Cuối cùng, các chồng vật liệu 2D này được khắc thành các thiết bị riêng lẻ cho phép các nhà nghiên cứu điều tra các đặc tính của chúng trong phòng thí nghiệm.
Trong nghiên cứu mới của mình, Joe Checkelsky và phòng thí nghiệm của ông đã phát hiện ra một kỹ thuật mới để tạo ra vật liệu moiré mà bỏ qua tất cả các bước tốn nhiều công sức trước đây. Phương pháp mới của họ sử dụng một cách tiếp cận hoàn toàn khác, và đó là phương pháp có thể tạo ra vật liệu moiré với số lượng hàng chục nghìn. Thay vì lắp ráp các mẫu từng cái một và từng lớp một, Checkelsky và phòng thí nghiệm của ông đã tìm ra các con đường tổng hợp hóa học mới, tận dụng sự trợ giúp của Mẹ Thiên nhiên để nuôi cấy “tinh thể moiré” với các siêu mạng moiré chất lượng cao được tích hợp trong mỗi lớp của chúng. Tương tự như vậy, nếu ta hình dung các thế hệ vật liệu moiré trước đây giống như hai tờ giấy xếp chồng lên nhau với khoảng cách dòng khác nhau, thì Checkelsky đã tìm ra cách tạo ra toàn bộ thư viện bách khoa toàn thư mà các trang lẻ và các trang chẵn có hai khoảng cách dòng khác nhau.
“Nhóm nghiên cứu của chúng tôi cảm thấy vô cùng tuyệt vời khi phát hiện ra vật liệu này, đặc biệt là tại MIT”, Nuckolls, đồng tác giả chính của công trình, cho biết. “Vật liệu Moiré đã trở thành trọng tâm nghiên cứu vật liệu lượng tử hiện nay, phần lớn là nhờ công trình của các đồng nghiệp ngay bên cạnh chúng tôi”.
Cuối cùng, hóa ra tự nhiên là bậc thầy trong việc tạo ra các vật liệu moiré khi được cung cấp các công cụ phù hợp. Nhóm nghiên cứu của MIT đã phát hiện ra rằng các vật liệu moiré được hình thành tự nhiên gần như hoàn hảo và có khả năng tái tạo cao. Điều này mang đến một minh chứng thực nghiệm được mong đợi từ lâu về một lộ trình tiềm năng có thể mở rộng để sử dụng vật liệu moiré trong các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo. Mặc dù vẫn còn nhiều trở ngại cần vượt qua để biến những kết quả khoa học cơ bản này thành công nghệ có thể sử dụng được, nhóm nghiên cứu đã chứng minh được một bước tiến quan trọng đúng hướng.
4D ở độ phân giải 4K
Sau khi khám phá ra cách nuôi cấy và điều khiển các siêu mạng moiré trong tinh thể moiré, nhóm nghiên cứu bắt đầu điều tra các đặc tính của chúng. Ban đầu, nhóm nhận thấy rằng các đặc tính kim loại của những vật liệu này phức tạp một cách đáng ngạc nhiên, nhưng họ nhanh chóng chuyển hướng suy nghĩ sang quan điểm đa chiều hơn, một ý tưởng được lấy cảm hứng từ các đề xuất lý thuyết được đưa ra khoảng nửa thế kỷ trước. Để nhìn vào thế giới lượng tử bốn chiều đầy triển vọng này, nhóm đã thực hiện các nghiên cứu chi tiết về các đặc tính điện tử và từ tính của tinh thể moiré ở các từ trường rất mạnh. Các electron trong kim loại thông thường chuyển động trong các quỹ đạo tròn hẹp khi được đặt trong từ trường. Tuy nhiên, điều rất đặc biệt xảy ra khi chúng chuyển động trong tinh thể moiré với hai mạng lưới giao thoa khác nhau. Sự giao thoa này tạo ra một siêu mạng moiré tương đương về mặt toán học với một mạng lưới "siêu không gian" bốn chiều mới nổi. Được hướng dẫn bởi mạng lưới siêu không gian 4D mới này, nhóm đã phát hiện ra rằng các electron giờ đây có thể di chuyển qua chiều thứ tư này khi chuyển động của chúng thẳng hàng với hướng mà hai mạng lưới cạnh tranh giao thoa mạnh nhất.
“Nói một cách ẩn dụ, các phép đo của chúng tôi hé lộ những 'bóng' của cảnh quan 4D nổi lên mà trên đó các electron sinh sống”, Nuckolls nói. “Bằng cách phân tích cẩn thận những hình bóng 3D này từ các góc độ và quan điểm khác nhau, phép đo của chúng tôi tái tạo lại cảnh quan 4D dẫn dắt các electron trong tinh thể moiré”.
Mặc dù chiều không gian tổng hợp bổ sung này là hư cấu và các electron trong tinh thể moiré thực chất vẫn bị mắc kẹt trong thực tại 3D của chúng ta, nhưng chúng mô phỏng một thế giới lượng tử bốn chiều rất sát sao đến nỗi các đặc tính đo được của tinh thể moiré dường như cho thấy các nhà nghiên cứu đã thực hiện thí nghiệm của họ trong không gian 4D. Có vẻ như tinh thể moiré không mấy quan tâm đến việc chiều không gian thứ tư là hư cấu và tổng hợp hay là có thật. Đối với chúng, cả hai đều như nhau.
“Về mặt toán học, các phương trình mô tả động lực học electron trong các tinh thể này là bốn chiều”, đồng tác giả chính Nisarga Paul cho biết. “Các electron lan truyền trong chiều tổng hợp giống như chúng lan truyền trong ba chiều vật lý của thế giới chúng ta. Rất khó để phát hiện chuyển động này, nhưng một trong những phát hiện đáng chú ý là từ trường có thể tiết lộ dấu vết của chiều tổng hợp này trong các tính chất điện tử có thể đo được bằng thực nghiệm, được gọi là dao động lượng tử”.
Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu sẽ tìm hiểu xem nhiều đặc tính vật liệu khác nhau có thể được cải thiện như thế nào nhờ các chiều tổng hợp bổ sung, điều mà hiện nay đã nằm trong tầm tay.
“Thật thú vị khi xem xét những điều có thể xảy ra tiếp theo”, Checkelsky nói. “Ví dụ, đã có những dự đoán lý thuyết lâu đời về các chất dẫn điện và siêu dẫn đa chiều - các vật liệu loại này có thể cung cấp một nền tảng mới để kiểm tra chúng bằng thực nghiệm trong phòng thí nghiệm”.