Vật liệu kỳ lạ, không thể giải thích bằng học thuyết hiện đại

Theo các nhà khoa học, vật liệu siêu dẫn này có thể là bước khởi đầu cho một “cuộc cách mạng” về điện tử.

Vật liệu kỳ lạ, 'thách thức' các nhà nghiên cứu. Ảnh: iStock

Vật liệu kỳ lạ, 'thách thức' các nhà nghiên cứu. Ảnh: iStock

Ngay ở nhiệt độ thấp, vật liệu Strontium titanate (công thức hóa học là SrTiO3) đã có thể dễ dàng dẫn điện.

Mặc dù không phải kim loại, nhưng SrTiO3 (thực chất là oxit kim loại chuyển tiếp) nhưng vẫn có thể dẫn điện từ lâu đã là một bí ẩn khiến nhiều nhà khoa học tranh cãi.

Mới đây, các nhà vật lý đã có những phát hiện quan trọng về nguyên nhân Strontium titanate lại có thể đi ngược lại các lý thuyết hiện tại về vật liệu siêu dẫn.

Theo đó, nghiên cứu mới do Phòng thí nghiệm gia tốc quốc gia ALAC (thuộc Bộ năng lượng Mỹ) phát hiện thấy strontium titanate hoạt động theo cách đối nghịch với các kim loại siêu dẫn.

Vật liệu siêu dẫn. Ảnh: The Conversation

Vật liệu siêu dẫn. Ảnh: The Conversation

Harold Hwang, nhà vật lý học tại ĐH Stanford, cho biết: 'Đây là một hệ thống có mọi thứ bị đảo ngược'.

Để hiểu được bản chất của strontium titanate, chúng ta cần phải xem xét lại những đặc điểm thường có ở một vật liệu dẫn điện.

Cụ thể, đối với các electron từ điểm A đến đến B, chúng thường cần phải nhảy qua một số lượng lớn nguyên tử đang bị kéo xuống dưới áp lực của hai điện thế khác nhau.

Thậm chí, ngay cả khi các nguyên tử được làm lạnh và đứng yên, thì hầu hết các vật liệu vẫn sẽ di chuyển trên những điện tử electron ở một mức độ nào đó, đòi hỏi 'năng lượng cần' để đẩy chúng đi qua.

Trên thực tế, các chất dẫn điện khác nhau. Ở nhiệt độ đủ thấp (0 độ Kelvin) và và không chịu ảnh hưởng của từ trường, các electron của chúng có thể kết hợp thành từng cặp, gọi là cặp Cooper (hay Cooper pair) để tạo ra dòng điện.

Điều này giúp chúng di chuyển không va chạm trong vật chất.

Nhờ khả năng di chuyển 'lỏng lẻo' và nhanh chóng của các điện tử electron mà phần lớn các kim loại hợp lại tạo thành vật liệu siêu dẫn. Trên thực tế, kể từ phát hiện lần đầu vào năm 1911, không có chất siêu dẫn thiếu thành phần kim loại nào được biết đến trong vài thập kỷ sau đó.

Tuy nhiên, Strontium titanate đã thay đổi điều đó. Trong những năm 1960, loại oxit kỳ lạ này được tìm thấy có đặc điểm của vật liệu siêu dẫn.

Adrian Swartz, tác giả chính của nghiên cứu này tại Viện Nghiên cứu Vật Liệu và Khoa Học Năng Lượng Stanford (SIMES), cho biết: 'Đây là một trong số rất nhiều vật liệu mà chúng tôi gọi là chất siêu dẫn 'phi truyền thống' bởi vì chúng không thể giải thích bằng lý thuyết hiện tại.

Bằng cách nghiên cứu những đặc điểm 'dị thường' của Strontium titanate, chúng tôi hy vọng sẽ có được cái nhìn sâu hơn về các thành phần dẫn tới đặc tính siêu dẫn trong những vật liệu phi thường này, thậm chí cả những chất hoạt động ở nhiệt độ cao'.

Nghiên cứu vật liệu kỳ lạ, thách thức kỹ thuật không hề nhỏ

Để hiểu rõ hơn về cách thức vật liệu Strontium titanate hoạt động, các nhà nghiên cứu đã tiến hành phân tích hành vi của các nguyên tử bằng cách sử dụng máy quét quang phổ đường hầm (STS).

Kỹ thuật này cho phép xác định mật độ các trạng thái điện tử và khoảng trống của các bề mặt, vật liệu ở quy mô nguyên tử.

Nghiên cứu về những đặc tính của Strontium titanate giúp các chuyên gia phát triển các vật liệu dẫn điện có hiệu suất cao, với tỉ lệ thất thoát rất thấp. Ảnh minh họa

Nghiên cứu về những đặc tính của Strontium titanate giúp các chuyên gia phát triển các vật liệu dẫn điện có hiệu suất cao, với tỉ lệ thất thoát rất thấp. Ảnh minh họa

Mặc dù nghe có vẻ đơn giản, nhưng công nghệ và quy trình thực hiện đòi hỏi yêu cầu không nhỏ. Đây là một thách thức về kỹ thuật.

Dù có những đặc điểm lạ, nhưng Strontium titanate dường như là một chất siêu dẫn độc đáo khi có thể hoạt động tương tự như một chất thông thường, phù hợp với lý thuyết siêu dẫn.

Với kỹ thuật sử dụng máy quét quang phổ đường hầm (STS), nhóm nghiên cứu dự định sẽ tiếp tục nghiên cứu về những đặc điểm bất thường của vật liệu Strontium titanate và hy vọng có thể mở ra một cuộc cách mạng về điện tử, đặc biệt là vật liệu siêu dẫn.

Hiểu rõ về những đặc tính kỳ lạ của strontium titanate sẽ giúp các nhà nghiên cứu trong việc phát triển các vật liệu dẫn điện có hiệu suất 100% ở nhiệt độ cao hơn.

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí PNAS.

Bài viết tham khảo nguồn: Sciencealert, SLAC

Theo Nguyễn Hằng

Tags: vật liệu  |  vật liệu siêu dẫn  |  nhà khoa học  |  nghiên cứu mới  |  Strontium titanate  |  vật liệu kỳ lạ  |  ứng dụng