Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng tính siêu dẫn có thể được kiểm soát bằng cách thao túng môi trường xung quanh của vật liệu. Ảnh: SciTechDaily.com

Các nhà khoa học đã tìm ra một cách mới để ảnh hưởng đến tính siêu dẫn bằng cách điều chỉnh môi trường vật liệu.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra bằng chứng mới cho thấy tính siêu dẫn có thể được điều khiển bởi môi trường xung quanh vật liệu, mở ra một con đường tiềm năng hướng tới các thiết bị điện tử lãng phí ít năng lượng hơn. Thay vì thay đổi chính vật liệu, nhóm nghiên cứu đã chỉ ra rằng điều chỉnh môi trường tinh tế có thể định hình lại cách các electron hoạt động ở cấp độ cơ bản.

Siêu dẫn cho phép một số vật liệu nhất định mang dòng điện với điện trở bằng không sau khi nguội dưới nhiệt độ tới hạn. Điều này giúp loại bỏ tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt, một giới hạn ảnh hưởng đến mọi thứ từ lưới điện đến vi mạch. Tuy nhiên, các quá trình vi mô cho phép dòng chảy không ma sát này vẫn là một trong những câu hỏi mở lớn nhất trong vật lý vật chất ngưng tụ.

Kỹ thuật siêu dẫn trong Graphene

Nghiên cứu mới, dẫn đầu bởi Chun Ning (Jeanie) Lau, giáo sư vật lý tại Đại học bang Ohio, tập trung vào một vật liệu được thiết kế cẩn thận được gọi là graphene hai lớp xoắn. Cấu trúc này được thực hiện bằng cách xếp chồng hai lớp carbon và xoay một chút so với lớp kia.

Nhóm nghiên cứu đã đặt vật liệu này trên một chất nền tổng hợp được gọi là strontium titanate, cho phép họ theo dõi và điều chỉnh cách các electron, các hạt nhỏ chịu trách nhiệm về hành vi điện, tương tác. Những tương tác này xảy ra theo cặp và đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc tính như từ tính và liên kết hóa học. Bằng cách điều chỉnh các tương tác ghép nối này, các nhà nghiên cứu đã có thể bật và tắt tính siêu dẫn.

“Các electron thường đẩy lùi lẫn nhau, nhưng trong các chất siêu dẫn, chúng tạo thành các cặp; sự hình thành cặp này là chìa khóa cho khả năng dẫn điện của chất siêu dẫn mà không bị tiêu hao”, Lau nói. Bằng chứng của chúng tôi cho thấy rằng bản thân các electron, tùy thuộc vào độ nhạy của chúng đối với môi trường gần đó, là bất ngờ quan trọng đối với những thay đổi vật chất.

Hướng tới các ứng dụng thực tế

Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy một xu hướng bất ngờ. Tăng điều chỉnh của chúng làm giảm tính siêu dẫn, tương phản với các chất siêu dẫn truyền thống, nơi làm suy yếu lực đẩy giữa các electron thường tăng cường ghép nối. Sự khác biệt này làm nổi bật hành vi bất thường của các vật liệu như graphene hai lớp xoắn.

“Nếu bạn có thể truyền tải điện mà không bị mất năng lượng, điều đó sẽ rất quan trọng đối với các công nghệ được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta”, Lau nói. “Bất chấp những câu hỏi cơ bản vẫn cần câu trả lời, công việc này về cơ bản cung cấp một con đường hướng tới một loại cơ chế vật lý mới.”

Phát hiện này có thể giúp các nhà khoa học thiết kế các vật liệu hoạt động như chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn, thậm chí có khả năng ở nhiệt độ phòng. Đạt được mục tiêu lâu dài này sẽ có ý nghĩa lớn đối với các hệ thống điện tử, truyền tải điện và truyền thông.

Những phát hiện này đã được công bố vào ngày 7 tháng 4 trên tạp chí Nature Physics.

Nhìn chung, công việc chỉ ra một cách trực tiếp hơn để kiểm soát các điều kiện cho phép siêu dẫn. Nhiều chất siêu dẫn nhiệt độ cao phải đối mặt với giới hạn hiệu suất, nhưng điều chỉnh môi trường của chúng có thể nâng cao khả năng của chúng và hỗ trợ tạo ra các thiết bị hiệu quả hơn.

Định hướng và ý nghĩa tương lai

Theo tác giả chính Xueshi Gao, một nghiên cứu sinh tiến sĩ vật lý tại bang Ohio, những kết quả này có thể sớm được áp dụng cho một loạt các hệ thống và thí nghiệm.

“Cơ chế siêu dẫn trong hệ thống graphene hai lớp xoắn mà chúng tôi sử dụng vẫn chưa được hiểu rõ”, Gao nói. “Nhưng kết quả của chúng tôi có thể làm sáng tỏ và giúp mọi người hiểu rõ hơn về khái niệm này khi áp dụng nó vào công việc trong tương lai.”

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng mô hình của họ đại diện cho một bước đầu tiên trong việc khám phá các tương tác điện tử phức tạp. Các nghiên cứu trong tương lai sẽ kiểm tra các loại tương tác bổ sung và giải quyết nhiều câu hỏi mở được nêu ra bởi công việc này.

“Chúng tôi đang thể hiện khả năng mà chúng tôi chưa từng thể hiện trước đây, rất nhiều người trong lĩnh vực này đang thực sự phấn khích về kết quả này”, Lau nói./.