Chúng không chỉ di chuyển trong không gian ba chiều quen thuộc, mà còn hành xử như thể có thể “dịch chuyển” vào một chiều không gian thứ tư bí ẩn, vuông góc với thực tại mà chúng ta cảm nhận. Các nhà vật lý phát hiện rằng hiện tượng lượng tử kỳ lạ này không xuất phát từ bản thân electron, mà từ môi trường vật chất đặc biệt nơi chúng tồn tại.

Electron trong tinh thể moiré bước vào chiều thứ tư thông qua quá trình gọi là “tunneling lượng tử”. Nếu một quả bóng đá nằm dưới chân dốc sẽ không tự thoát ra, thì hạt lượng tử trong một “thung lũng” có thể tự nhảy ra ngoài. Hiện tượng này vốn phổ biến ở quy mô nguyên tử và cũng đóng vai trò quan trọng trong các mạch siêu dẫn lớn – nền tảng của công nghệ lượng tử, được ghi nhận trong giải Nobel Vật lý 2025. Tuy nhiên, tunneling trong tinh thể moiré lại khác biệt: electron hành xử như thể đã đi vào một thế giới hoàn toàn khác rồi quay trở lại, giống như được vận chuyển qua một chiều “tổng hợp” thứ tư.

Trong nghiên cứu vừa công bố trên tạp chí Nature, nhóm các nhà khoa học MIT đã phát triển kỹ thuật quy mô lớn để tạo ra tinh thể moiré chất lượng cao, mở ra hướng đi mới cho ứng dụng điện tử thế hệ tiếp theo. Đặc biệt, electron trong các tinh thể này hành xử như thể có thể dịch chuyển qua chiều không gian thứ tư, hiện thực hóa nhiều dự đoán lý thuyết về siêu dẫn và tính chất topo trong không gian nhiều chiều.

Tinh thể hoàn hảo

Tinh thể moiré được tạo ra từ các vật liệu hai chiều siêu mỏng như graphene. Khi các lớp này được xoay hoặc kết hợp với vật liệu tương tự nhưng không hoàn toàn giống nhau, chúng tạo nên các mô hình giao thoa tinh vi gọi là “siêu mạng moiré”. Trong hơn một thập kỷ qua, các vật liệu moiré đã làm thay đổi cách các nhà vật lý thiết kế và kiểm soát tính chất lượng tử, với nhiều phát hiện đột phá tại MIT – từ “cánh bướm Hofstadter” đến siêu dẫn bất thường và hiện tượng electron phân mảnh.

Khác với phương pháp thủ công trước đây, nhóm nghiên cứu của giáo sư Joe Checkelsky đã tìm ra cách tổng hợp hóa học để tạo ra tinh thể moiré với hàng chục nghìn mẫu cùng lúc. Các tinh thể này có siêu mạng moiré gần như hoàn hảo và tái tạo ổn định, mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong điện tử.

Khám phá chiều thứ tư

Khi nghiên cứu đặc tính điện và từ của tinh thể moiré trong từ trường mạnh, nhóm MIT phát hiện các electron di chuyển như thể đang tồn tại trong một “siêu không gian” bốn chiều. Sự giao thoa giữa hai mạng tinh thể tạo nên cấu trúc toán học tương đương với một chiều tổng hợp mới. Electron có thể “di chuyển” theo chiều này, để lại dấu vết trong các dao động lượng tử đo được.

“Các phép đo của chúng tôi hé lộ ‘bóng hình’ của một cảnh quan 4D mà electron đang sống,” đồng tác giả Kevin Nuckolls chia sẻ. Dù chiều này chỉ là tổng hợp, electron trong tinh thể moiré mô phỏng thế giới lượng tử bốn chiều một cách thuyết phục đến mức kết quả thí nghiệm trông như thể được thực hiện trong không gian 4D thực sự.

Triển vọng tương lai

Các nhà nghiên cứu kỳ vọng chiều tổng hợp này sẽ mở ra khả năng kiểm chứng nhiều dự đoán lý thuyết lâu nay về vật liệu dẫn điện và siêu dẫn trong không gian nhiều chiều. “Điều thú vị là chúng ta có thể đang đứng trước một nền tảng mới để khám phá các hiện tượng lượng tử cao chiều ngay trong phòng thí nghiệm,” giáo sư Checkelsky nhận định.