Trong suốt 150 năm qua, các nhà khoa học và kỹ sư đã ứng dụng "Hiệu ứng Hall" (Hall effect) vào vô số lĩnh vực, từ thiết bị tiêu dùng thông thường đến các hệ thống khoa học vi mô. Thế nhưng, vật lý học vừa chứng kiến một cơn địa chấn mới: Sự xuất hiện của một trạng thái vật chất kỳ lạ phá vỡ các quy tắc về chiều không gian.
 |
| Vật chất xuyên chiều tồn tại giữa không gian 2D và 3D Eugene Mymrin - Getty Images |
Một nghiên cứu mới mang tính đột phá vừa công bố việc phát hiện ra một dạng hoàn toàn mới của Hiệu ứng Hall, được giới khoa học đặt tên là Hiệu ứng Hall dị thường xuyên chiều (Transdimensional Anomalous Hall Effect - TDAHE). Bằng cách sử dụng một mạng lưới nguyên tử carbon siêu mỏng, các nhà nghiên cứu nhận thấy các electron bên trong vật liệu này bất ngờ thể hiện các hành vi 3D — một điều đáng lẽ ra không thể xảy ra ở độ mỏng tới mức cực hạn như vậy.
Di Sản 150 Năm Của Chàng Sinh Viên 23 Tuổi
Để hiểu được tầm vóc của khám phá này, chúng ta cần quay ngược thời gian về một ngày mùa thu năm 1879. Tại phòng thí nghiệm vật lý của Đại học Johns Hopkins, chàng nghiên cứu sinh 23 tuổi người Mỹ tên là Edwin Hall đang thực hiện luận án tiến sĩ của mình.
Hall đã đặt một dải lá vàng mỏng có dòng điện chạy qua vào giữa hai nam châm điện đặt đối diện nhau. Ông phát hiện ra một hiện tượng ngoạn mục: Từ trường đã đẩy dòng điện lệch về một phía của dải vàng. Đồng thời, ông cũng ghi nhận được một điện áp vuông góc với cả từ trường và dòng điện được áp dụng. Khám phá vô tình này đã đi vào lịch sử với tên gọi Hiệu ứng Hall (và hiệu điện thế sinh ra được gọi là điện áp Hall) — một thành tựu vĩ đại đối với một nhà khoa học chỉ mới 23 tuổi.
Trong gần một thế kỷ rưỡi trôi qua, giới khoa học đã tiếp tục khám phá ra nhiều biến thể khác nhau của hiện tượng này, bao gồm Hiệu ứng Hall lượng tử, Hiệu ứng Hall spin và Hiệu ứng Hall dị thường (AHE). Ngày nay, các kỹ sư sử dụng nguyên lý này để chế tạo động cơ đẩy ion cho tàu vũ trụ, ứng dụng trong ngành công nghiệp vi mạch bán dẫn, và các nhà vật lý thiên văn thậm chí còn nghiên cứu xem liệu hiệu ứng này có đóng vai trò trong sự hình thành của các vì sao hay không.
Sự Nổi Loạn Của Electron Tại Cấp Độ Nanomet
Giờ đây, một chương mới vừa được viết tiếp. Trong một nghiên cứu vừa được công bố trên tạp chí danh giá Nature, một nhóm các nhà khoa học quốc tế do Giáo sư Lei Wang tại Đại học Nam Kinh (Trung Quốc) dẫn đầu đã chính thức công bố việc tìm ra TDAHE.
Hiệu ứng Hall dị thường (AHE) truyền thống xảy ra khi các vật liệu sắt từ thể hiện hành vi giống như Hiệu ứng Hall do chính quá trình từ hóa bên trong vật liệu sinh ra, mà không cần bất kỳ từ trường nào áp dụng từ bên ngoài. Tuy nhiên, TDAHE lại là một câu chuyện hoàn toàn khác.
Theo tạp chí New Scientist, đội ngũ của Giáo sư Wang đã sắp xếp một lớp vật liệu màng carbon siêu mỏng theo cấu trúc hình thoi (rhombus). Ý tưởng ban đầu chỉ là tạo ra các "dòng điện hiệu quả tuyệt đối". Nhưng các electron bên trong mạng lưới này lại có một kế hoạch khác.
Sự sắp xếp này đã sinh ra hai điện trường vuông góc với nhau. Bất chấp việc lớp vật liệu carbon này mỏng đến mức khó tin — chỉ dày khoảng 2 đến 5 nanomet (tức là không gian 2D) — các điện trường này đã buộc các electron phải di chuyển theo những vòng lặp cả theo chiều ngang lẫn chiều dọc (hành vi 3D).
Không Phải Sự Lỗi Nhịp, Mà Là Một "Đế Chế" Mới
"TDAHE xuất hiện như một sự bất ngờ hoàn toàn, một hiện tượng chưa từng được quan sát thấy trong bất kỳ vật liệu nào trước đây, và cũng chưa có bất kỳ lý thuyết nào dự đoán được điều đó," Giáo sư Wang chia sẻ. "Sau khi đo đạc dữ liệu thô, chúng tôi đã phải mất khoảng một năm chỉ để cố gắng hiểu được chuyện gì đang xảy ra."
Ban đầu, các nhà khoa học đinh ninh rằng hệ thống đo lường bị lỗi. Việc electron di chuyển theo vòng lặp dọc trong một lớp vật liệu mỏng đến mức chỉ có 2D được cho là điều bất khả thi trong vật lý truyền thống. Nhưng cuối cùng, họ phải chấp nhận sự thật: Các electron đang vận hành theo một cơ chế chưa từng có trong lịch sử khoa học.
Giáo sư Wang nhấn mạnh rằng, hiện tượng này không chỉ đơn thuần là một "cây cầu" bắc ngang giữa thế giới 2D và 3D. Đây là một trạng thái vật lý, một "đế chế" hoàn toàn mới mở ra những chân trời khám phá vô tận cho giới nghiên cứu.
Sự kiện này chứng minh rằng, ngay cả sau 150 năm kể từ ngày Edwin Hall phát hiện ra dòng điện bị bẻ cong bởi từ trường, thế giới vi mô lượng tử vẫn còn vô số những bí ẩn chờ đợi con người giải mã. Khám phá này hứa hẹn sẽ mang lại những bước tiến nhảy vọt cho kỷ nguyên của vi mạch bán dẫn tiên tiến và máy tính lượng tử trong tương lai gần.
Thế Anh.
Nguồn: Popular Mechanics
Không có nhận xét nào: