Các nhà khoa học tình cờ phát hiện ra một hạt kỳ lạ, không tuân theo bất kỳ quy tắc nào từng biết

Một bước đột phá trong vật lý lượng tử vừa được công bố khi các nhà khoa học phát hiện một dạng quasiparticle đặc biệt, được gọi là Semi-Dirac fermions, trong tinh thể ZrSiS. Đây là một khám phá độc đáo và đầy hứa hẹn cho công nghệ tương lai. Semi-Dirac fermions có đặc tính khác biệt: chúng không có khối lượng khi di chuyển theo một hướng, nhưng lại mang khối lượng lớn khi di chuyển theo hướng khác.

Phát hiện này không chỉ làm sáng tỏ một hiện tượng được lý thuyết dự đoán từ 16 năm trước mà còn đặt nền móng cho những ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như lưu trữ năng lượng, cảm biến và công nghệ lượng tử.

Khám phá tình cờ nhưng đầy giá trị

Semi-Dirac fermions lần đầu tiên được dự đoán vào năm 2008 và 2009 bởi các nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Paris-Sud (Pháp) và Đại học California, Davis (Mỹ). Họ cho rằng có thể tồn tại các quasiparticle với tính chất khối lượng thay đổi theo hướng chuyển động: không có khối lượng theo một hướng nhưng có khối lượng ở hướng khác. Tuy nhiên, mãi đến năm 2024, hiện tượng này mới được xác nhận trong một nghiên cứu thực nghiệm do các nhà khoa học từ Đại học Penn State và Đại học Columbia dẫn đầu.

Theo Yinming Shao, trợ lý giáo sư vật lý tại Penn State và là tác giả chính của nghiên cứu, phát hiện này hoàn toàn bất ngờ. "Chúng tôi không tìm kiếm Semi-Dirac fermions khi bắt đầu nghiên cứu vật liệu này. Tuy nhiên, các tín hiệu bất thường đã dẫn chúng tôi đến quan sát đầu tiên về loại quasiparticle độc đáo này", Shao chia sẻ.

Nghiên cứu được thực hiện trên các tinh thể bán kim loại ZrSiS, một vật liệu có cấu trúc đặc biệt. Bằng cách sử dụng quang phổ từ trường - kỹ thuật chiếu ánh sáng hồng ngoại vào tinh thể trong điều kiện từ trường mạnh - nhóm nghiên cứu đã quan sát các phản ứng lượng tử bên trong vật liệu.

Semi-Dirac fermions là gì?

Trong thế giới hạt cơ bản, một số hạt như photon (hạt ánh sáng) không có khối lượng vì chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng. Khối lượng của một hạt thường được xác định bởi năng lượng và tốc độ chuyển động của nó. Tuy nhiên, trong vật liệu rắn, tập hợp các hạt có thể tạo ra hành vi tập thể độc đáo, sinh ra các quasiparticle có tính chất khác biệt so với hạt đơn lẻ.

Semi-Dirac fermions là một ví dụ đặc biệt. Nó hoạt động như thể không có khối lượng khi di chuyển theo một hướng nhưng lại có khối lượng khi đi theo hướng vuông góc. Hiện tượng này được các nhà vật lý lý thuyết mô tả như sự "dịch chuyển khối lượng theo hướng" - một đặc điểm chưa từng thấy ở các quasiparticle khác.

Thí nghiệm tại điều kiện khắc nghiệt

Để khám phá Semi-Dirac fermions, các nhà khoa học đã sử dụng nam châm mạnh nhất thế giới tại Phòng thí nghiệm Từ trường Cao Quốc gia ở Florida. Tinh thể ZrSiS được làm lạnh xuống -452°F (chỉ cao hơn vài độ so với độ không tuyệt đối), sau đó tiếp xúc với từ trường mạnh gấp 900.000 lần từ trường Trái Đất.

Trong điều kiện này, các mức năng lượng của electron bên trong tinh thể ZrSiS bị lượng tử hóa thành các mức Landau - tương tự như các bậc thang chỉ có thể tồn tại ở một số vị trí cố định. Tuy nhiên, khi phân tích ánh sáng phản xạ từ tinh thể, nhóm nghiên cứu nhận thấy các mức năng lượng của electron không tuân theo quy luật thông thường mà xuất hiện một mô hình đặc biệt, gọi là "định luật lũy thừa B^(2/3)". Đây là dấu hiệu đặc trưng của Semi-Dirac fermions.

Giải thích hành vi kỳ lạ

Theo Shao, cấu trúc điện tử của ZrSiS có thể được hình dung như một mạng lưới đường ray. Các Semi-Dirac fermions giống như đoàn tàu nhỏ di chuyển trên mạng lưới này. Khi đi theo một hướng thẳng, chúng không gặp trở ngại, tương tự như không có khối lượng. Nhưng khi phải chuyển hướng vuông góc, chúng gặp phải kháng cự và biểu hiện có khối lượng.

Cấu trúc nhiều lớp của ZrSiS, tương tự than chì hay graphene, là yếu tố tạo nên hiện tượng này. Các lớp nguyên tử trong ZrSiS tương tác theo cách cho phép electron di chuyển tự do theo một số hướng nhưng bị hạn chế ở hướng khác.

"Điểm giao nhau trong cấu trúc điện tử là nơi các Semi-Dirac fermions thể hiện tính chất đặc biệt của chúng. Hiểu được cơ chế này có thể giúp kiểm soát và khai thác chúng cho các ứng dụng công nghệ", Shao nhấn mạnh.

Tiềm năng ứng dụng công nghệ

Graphene - một dạng carbon có cấu trúc tương tự ZrSiS - đã cách mạng hóa các lĩnh vực như pin, siêu tụ điện, cảm biến và thiết bị y sinh. Với Semi-Dirac fermions, ZrSiS có thể tiếp tục mở ra những ứng dụng mới.

Một trong những tiềm năng lớn là khả năng kiểm soát chính xác tính chất của Semi-Dirac fermions, tương tự cách chúng ta đã khai thác graphene. Đặc biệt, tính chất không khối lượng theo hướng của các fermion này có thể giúp tăng hiệu suất của các thiết bị điện tử, cảm biến lượng tử và hệ thống lưu trữ năng lượng.

Tuy nhiên, nghiên cứu cũng để lại nhiều câu hỏi chưa được giải đáp. Shao cho biết: "Dữ liệu của chúng tôi vẫn còn những bí ẩn chưa được lý giải đầy đủ. Đây là một lĩnh vực mới mẻ và đầy thách thức, nhưng cũng rất hứa hẹn".

Hướng đi tương lai

Khám phá Semi-Dirac fermions trong ZrSiS không chỉ là thành tựu về mặt lý thuyết mà còn mở ra cánh cửa cho những đột phá trong khoa học vật liệu và công nghệ lượng tử. Trong tương lai, việc nghiên cứu sâu hơn về các tính chất này có thể giúp phát triển các thiết bị tiên tiến, cải thiện hiệu suất năng lượng và khám phá những hiện tượng lượng tử mới.

Sự tình cờ trong thí nghiệm lần này nhắc nhở rằng khoa học luôn chứa đựng những bất ngờ. Những gì chúng ta chưa hiểu hôm nay có thể trở thành chìa khóa cho những tiến bộ của ngày mai.

Đức Khương