'Kim loại lạ' thách thức lý thuyết dòng điện, mở cánh cửa tìm chất siêu dẫn

Trong kim loại lạ (hộp trong suốt), các electron (như những viên bi xanh) mất đi sự riêng biệt và tan thành một dòng chảy

Chúng ta thường được học rằng điện sinh ra từ chuyển động của electron qua kim loại. Mỗi electron mang một điện tích rời rạc, được lượng tử hóa. Tuy nhiên, bức tranh đơn giản này trở nên phức tạp hơn vì electron tự nhiên đẩy nhau. Khi một electron di chuyển, nó có thể làm xáo trộn đám mây electron lân cận xung quanh.

Lý thuyết của Fermi không còn là tuyệt đối

Khi những xáo trộn này tương đối nhỏ, electron không còn di chuyển riêng lẻ mà thay vào đó hoạt động tập thể, tạo thành các nhóm gọi là quasiparticle. Quasiparticle là một khái niệm trong vật lý chất cô đặc, dùng để mô tả hành vi tập thể của các electron trong một vật liệu. Khi các electron tương tác mạnh với nhau hoặc với môi trường xung quanh (như mạng lưới nguyên tử trong kim loại), chúng không còn hành xử như các hạt tự do nữa. Thay vào đó, chúng tạo ra những "thực thể tập thể" được gọi là quasiparticle.

Dù có sự tập hợp này, dòng điện vẫn được mang bởi các điện tích rời rạc. Tuy nhiên, những điện tích này không còn là các electron "tự do" riêng lẻ mà là biểu hiện của chuyển động tập thể electron. Hành vi này được mô tả bởi lý thuyết chất lỏng Fermi, vốn là khuôn khổ tiêu chuẩn để hiểu về kim loại trong hơn 60 năm qua.

Đáng ngạc nhiên, nhiều vật liệu mới được phát hiện gọi là "kim loại lạ" không tuân theo mô hình truyền thống này. Trong các vật liệu ấy, sự dẫn điện không được thực hiện bởi các điện tích giống electron rời rạc. Sử dụng một kỹ thuật gọi là đo nhiễu shot, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy electron trong "kim loại lạ" hòa vào một chất lỏng lượng tử liên tục, không còn đặc điểm riêng biệt.

Điều này đặt ra một câu hỏi sâu sắc: Nếu từng electron không mang dòng điện, thì cái gì đang làm điều đó? Lý thuyết chất lỏng Fermi đại diện cho một trong những thành tựu lớn của vật lý vật chất ngưng tụ, ngành vật lý nghiên cứu về vật liệu rắn. Sự phát hiện ra kim loại lạ thách thức một nền tảng trong hiểu biết của chúng ta. Việc phát triển một lý thuyết mới để giải thích sự vận chuyển điện trong những vật liệu khác thường này có thể dẫn đến những hiểu biết đột phá trong vật lý và khoa học vật liệu.

Mở ra cánh cửa khám phá chất siêu dẫn nhiệt độ cao

Ví dụ, hiểu được sự khác biệt so với hành vi chất lỏng Fermi có thể hé lộ cơ chế ẩn giấu của các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, vốn trong trạng thái bình thường (không siêu dẫn) hoạt động giống như "kim loại lạ".

"Kim loại lạ" bác bỏ hiểu biết thông thường về vận chuyển điện qua các điện tích rời rạc. Trong các vật liệu này, điện trở thay đổi tuyến tính ở nhiệt độ thấp. Ngược lại, các vật mang điện trong kim loại thông thường có sự thay đổi điện trở theo hàm bậc hai.

Để xác định xem điện có được truyền đi theo từng phần rời rạc hay không, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kỹ thuật gọi là nhiễu shot. Nhiễu shot đo các dao động ngẫu nhiên trong dòng điện một chiều. Những dao động này xuất hiện vì dòng điện là dòng chảy của các điện tích rời rạc và thời điểm đến của mỗi điện tích có sự biến thiên thống kê. Giống như khi một vài hạt mưa lớn rơi xuống mái nhà, chúng không rơi cùng lúc mà phân bố ngẫu nhiên, khiến nhiễu shot cao. Ở trường hợp ngược lại, nếu mưa quá dày, không còn giọt riêng lẻ nào, dòng mưa trở nên liên tục và không có đặc điểm riêng. Lúc này, nhiễu shot bằng 0. Đây chính là điều dường như xảy ra trong "kim loại lạ".

Đo nhiễu shot mà không bị ảnh hưởng bởi yếu tố bên ngoài là điều không dễ dàng. Trong kim loại, dao động mạng tinh thể có thể đẩy electron và che lấp nhiễu shot. Các nhà nghiên cứu phải chế tạo những dây nano siêu nhỏ đến mức electron đi qua nhanh hơn thời gian cảm nhận được sóng dao động mạng.

Thí nghiệm này cung cấp bằng chứng mạnh mẽ rằng trong "kim loại lạ" YbRh₂Si₂ không có quasiparticles và dòng điện không được mang bởi các phần rời rạc. Tuyên bố về sự vắng mặt của quasiparticles gây sốc mạnh và không phải tất cả nhà vật lý đều sẵn sàng chấp nhận. Những kết quả này sẽ kích thích hàng loạt nghiên cứu quan trọng và góp phần phát triển các lý thuyết mới về "kim loại lạ".

Anh Tú