Hiện tượng vật lý mới tạo đột phá lớn

Graphen là một dạng đồng hình bất thường của cacbon, gồm một lớp nguyên tử và càng ngày người ta càng phát hiện ra những tính chất mới đầy bất ngờ của vật liệu kỳ diệu đã mang lại cho hai nhà vật lý gốc Nga giải Nobel này.

Trên Tạp chí Science số mới, một nhóm các nhà khoa học Mỹ từ nhiều Viện nghiên cứu khác nhau dưới sự chủ trì của Michael Krommi, Viện Vật liệu học thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence, đồng thời là giáo sư Vật lý trường Đại học California ở Berkeley đã công bố một công trình có tiếng vang lớn trong giới khoa học.

Họ đã tạo ra một trường giả từ tính (pseudomagnetic field) có cường độ lớn hơn nhiều so với bất cứ từ trường nào tạo ra được trong phòng thí nghiệm bằng cách kéo giãn một màng mỏng graphen.

Krommi viết: “Chúng tôi đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng khi kéo căng graphen sẽ tạo ra những bọt kích thước nano trên nền platin, trong các bọt đó các electron có tính chất giống như chúng bị tác dụng của từ trường cảm ứng trên 300 Tesla trong khi không hề có từ trường nào.

Đó là hiện tượng vật lý hoàn toàn mới, chưa từng xảy ra trong Khoa học cơ bản”. Kỷ lục hiện nay để tạo ra một từ trường vĩnh cửu trong phòng thí nghiệm bằng phương pháp truyền thống là 85 Tesla, cao hơn nữa thì các thanh nam châm sẽ bị phá huỷ.

Còn trong trường hợp này, không có một từ trường nào nhưng các electron vẫn “cư xử” giống như khi đặt chúng vào một từ trường với mật độ từ thông cực kỳ lớn là hàng trăm Tesla, nghĩa là lớn hơn từ trường của Trái đất hàng chục triệu lần.

Chính ý tưởng tạo ra một trường giả từ tính bằng cách làm biến dạng graphen đã được các nhà vật lý lý thuyết đề cập đến cách đây không lâu, ví dụ vào đầu năm 2010, nhà vật lý Tây Ban Nha Francisco Guinea, Viện vật liệu học Madrid đã tiên đoán là khi kéo giãn graphen theo ba hướng của tinh thể thì các electron trong đó sẽ “ứng xử” như khi được đặt trong một từ trường cực mạnh. Nguyên nhân của hiện tượng này là độ dài liên kết giữa các nguyên tử bị thay đổi, do vậy giữa chúng các electron tự do có thể chuyển động dễ dàng.

Guinea cũng là một trong những tác giả của công trình nghiên cứu lần này.

Trong vật lý cổ điển, các electron chuyển động trong từ trường theo những quỹ đạo xiclotron (cyclotron orbit). Còn trong cơ học lượng tử, các quỹ đạo xiclotron được lượng tử hoá phân chia ra theo những mức năng lượng phân tán (discrete energy level) gọi là các mức năng lượng Landau.

Số lượng các electron ở các mức phụ thuộc vào cường độ của từ trường - từ trường càng mạnh thì các electron “len lỏi vào” càng nhiều và các electron ở mỗi mức cũng càng nhiều. Chính điều này cũng hình thành khi graphen biến dạng mà không có một từ trường nào.

Hiện tượng kỳ lạ này được phát hiện gần như tình cờ khi nghiên cứu lớp graphen trên đế platin nhờ kính hiển vi đường hầm quét. Sau khi phát hiện ra hiện tượng bất thường của dòng điện trong graphen, Krommi đã chứng minh lý thuyết của họ là một vấn đề khác hoàn toàn với lý thuyết của Antonio Castro-Neto, trường Đại học Boston.

Kính hiển vi cũng cho thấy sự xuất hiện những bọt nano (nanobubble) trên bề mặt graphen - sự biến dạng hình tam giác có dạng những hình chóp kim tự tháp, chiều dài từ 4 đến 10 nanomet. Sự phá huỷ mật độ của trạng thái electron liên quan đến những bọt này. Hiệu ứng xảy ra ở nhiệt độ phòng.

Công trình sẽ mở ra nhiều triển vọng rộng lớn trong khoa học và công nghệ, hứa hẹn sẽ mang lại nhiều lý thuyết mới cũng như nhiều phát minh trong khoa học cơ bản - tất cả đều dựa trên các tính chất rất độc đáo của graphen.

Ngoài Krommi, Guinea và Castro-Neto, các tác giả của công trình là Niv Levi, Sara Berk, Casey Miker, Melissa Panlasigvi và Alex Zettle.

Tuấn Hà (Sciencemag.org)