Graphene là một vật liệu kỳ lạ. Hiểu các đặc tính của nó vừa là một câu hỏi cơ bản của khoa học vừa là một con đường đầy hứa hẹn cho các công nghệ mới. Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA) và Viện Khoa học Weizmann đã nghiên cứu điều gì xảy ra khi họ xếp bốn tấm vật liệu này chồng lên nhau và điều này có thể dẫn đến các dạng siêu dẫn kỳ lạ mới như thế nào.

Hãy tưởng tượng một tấm vật liệu chỉ dày một lớp nguyên tử—nhỏ hơn một phần triệu milimét. Mặc dù điều này nghe có vẻ viển vông, nhưng một vật liệu như vậy tồn tại: nó được gọi là graphene , và nó được làm từ các nguyên tử carbon sắp xếp theo kiểu tổ ong. Được tổng hợp lần đầu tiên vào năm 2004 và sau đó nhanh chóng được ca ngợi là một chất có những đặc tính kỳ diệu, các nhà khoa học vẫn đang nghiên cứu để tìm hiểu về nó. Postdoc Areg Ghazaryan và Giáo sư Maksym Serbyn tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (ISTA) cùng với các đồng nghiệp Tiến sĩ Tobias Holder và Giáo sư Erez Berg từ Viện Khoa học Weizmann ở Israel đã nghiên cứu graphene trong nhiều năm và hiện đã công bố những phát hiện mới nhất của họ về các đặc tính siêu dẫn của nó trong một bài báo nghiên cứu được công bố vào ngày 2 tháng 3 trên tạp chíĐánh giá vật lý B .

Ghazaryan giải thích: “Gene nhiều lớp có nhiều phẩm chất đầy hứa hẹn, từ cấu trúc dải có thể điều chỉnh rộng rãi và các tính chất quang học đặc biệt cho đến các dạng siêu dẫn mới—nghĩa là có thể dẫn dòng điện mà không có điện trở,” Ghazaryan giải thích. “Trong mô hình lý thuyết của chúng tôi, chúng tôi đang tiếp tục nghiên cứu về graphene đa lớp và đang xem xét các cách sắp xếp khả dĩ khác nhau của các tấm graphene khác nhau chồng lên nhau. Ở đó, chúng tôi đã tìm thấy những khả năng mới để tạo ra cái gọi là tính siêu dẫn tô pô.” Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu đã mô phỏng trên máy tính điều gì sẽ xảy ra khi bạn xếp một vài lớp tấm graphene lên nhau theo những cách nhất định.

Cuộc thi Người đẹp điện tử

Serbyn cho biết thêm: “Nó giống như một cuộc thi nhan sắc lớn giữa các cấu hình khác nhau của các tấm graphene xếp chồng lên nhau để tìm ra tấm đẹp nhất. “Trong đó, chúng tôi đang xem xét hành vi của các electron di chuyển trong graphene đa lớp.” Tùy thuộc vào cách các lớp graphene khác nhau dịch chuyển so với nhau và tùy thuộc vào số lớp có, các lõi hạt nhân tích điện dương của các nguyên tử cacbon trong mạng tổ ong tạo ra các môi trường khác nhau cho các electron xung quanh chúng. Các electron tích điện âm bị hạt nhân hút và đẩy nhau. “Chúng tôi bắt đầu bằng cách nghiên cứu các mô hình thực tế chỉ xem xét một electron đơn lẻ tương tác với hạt nhân của graphene. Khi chúng tôi tìm thấy một phương pháp đầy hứa hẹn, chúng tôi đã thêm các tương tác phức tạp hơn giữa nhiều electron,” Ghazaryan giải thích. Với cách tiếp cận này,

Tìm kiếm phản hồi của thiên nhiên

Loại nghiên cứu lý thuyết này đặt nền móng cho các thí nghiệm trong tương lai sẽ tạo ra các hệ thống graphene mô phỏng trong phòng thí nghiệm để xem liệu chúng có thực sự hoạt động như dự đoán hay không. Ghazaryan nói: “Công trình của chúng tôi giúp các nhà thực nghiệm thiết kế các thiết lập mới mà không cần phải thử mọi cấu hình của các lớp graphene. “Bây giờ, nghiên cứu lý thuyết sẽ tiếp tục trong khi các thí nghiệm sẽ cho chúng ta phản hồi từ tự nhiên.”

Mặc dù graphene đã dần tìm thấy các ứng dụng trong nghiên cứu và công nghệ—ví dụ như ống nano carbon—tiềm năng của nó như một chất siêu dẫn tô pô cho điện chỉ mới bắt đầu được hiểu rõ. Serbyn cho biết thêm: “Chúng tôi hy vọng một ngày nào đó có thể mô tả đầy đủ loại vật liệu này ở cấp độ cơ học lượng tử, cả về giá trị vốn có của nghiên cứu khoa học về các đặc tính cơ bản của vật chất và nhiều ứng dụng tiềm năng của graphene.”