Những khám phá mới đây về exciton - vốn chỉ được coi là vật liệu trong những bộ phim viễn tưởng - đang mở ra chân trời mới trong lĩnh vực siêu vật liệu.
Giải mã bí ẩn hơn nửa thế kỷ
Trong vật lý, có một dạng vật chất tồn tại gọi là ngưng tụ Bose-Einstein (BEC). BEC về cơ bản là một trạng thái của vật chất, trong đó các nguyên tử cực lạnh kết lại với nhau và hoạt động như một thực thể duy nhất.
Trong một chất bán dẫn, khi một điện tử ở vùng hóa trị bị kích thích, nó sẽ nhảy qua khoảng trống năng lượng và để lại một “lỗ trống” trong vùng hóa trị.
Lỗ trống hoạt động là một hạt mang điện tích dương. Khi điện tử và lỗ trống không hành xử như những hạt mang điện tự do nữa mà ghép mới nhau như một cặp không thể tách rời tạo thành một hạt boson tổng hợp được gọi là “exciton”. Loại giả hạt exciton được tiên đoán bởi Frenkel vào những năm 30 của thế kỷ trước.
Mặc dù các chất ngưng tụ exciton đã được dự đoán từ nửa đầu thế kỷ trước, nhưng cho đến gần đây, chưa ai có thể tạo ra một chất ngưng tụ như vậy trong phòng thí nghiệm mà không phải sử dụng từ trường cực mạnh.
Loại vật liệu đặc biệt này gây phấn khích cho cộng đồng khoa học thế giới bởi chúng có thể vận chuyển năng lượng mà không bị hao hụt - điều mà không vật liệu nào có thể làm được. Nếu tạo ra những vật liệu có tính chất tuyệt vời như vậy thì nó sẽ mở ra một kỷ nguyên mới của những vật liệu siêu tiết kiệm năng lượng.
Từ những năm 1960, các nhà vật lý lý thuyết đã tiên đoán sự tồn tại của một loại vật liệu gọi là excitonium. Đây là một chất ngưng tụ được tạo thành từ các exciton, có tính chất lượng tử vĩ mô như một tinh thể điện tử siêu dẫn, siêu lỏng hoặc cách điện.
Đến những năm 70, rất nhiều nhà thực nghiệm đã công bố bằng chứng về sự tồn tại của excitonium, nhưng những phát hiện của họ không chứng minh rõ ràng và chắc chắn về nó.
Về mặt thực nghiệm, để tạo ra ngưng tụ exciton, các nhà khoa học phải làm lạnh một loại vật liệu được tạo thành từ một mạng tinh thể các hạt xuống dưới -270 độ F và cố định nó để tạo thành các cặp hạt gọi là exciton.
Sau đó, làm cho các cặp trở nên vướng víu lượng tử. Nhưng để làm được việc này là vô cùng phức tạp, đến mức các nhà khoa học chỉ có thể tạo ra các chất ngưng tụ exciton trong một số ít lần.
Trạng thái vật lý mới lạ này đang được các nhà vật lý rất quan tâm vì nó định hình sự phát triển của các công nghệ quan trọng, điển hình là việc phát triển một chất siêu dẫn, tạo cơ sở quan trọng cho việc sản xuất máy cộng hưởng từ (MRI) thế hệ mới.
Mở ra chân trời mới
Trong một công trình công bố trên Nature Physics, các nhà khoa học lần đầu tiên phát hiện sự tồn tại của các exciton trong kim loại. Khám phá này giúp chúng ta có cái nhìn tường minh về quá trình biến đổi ánh sáng thành điện năng và hóa năng trong lá cây, pin mặt trời.
Đồng thời, nó cũng giúp các nhà khoa học phát triển những thế hệ kính hiển vi điện tử mới với độ phân giải siêu cao.
Những thành tựu nghiên cứu trong thời gian gần đây đã đạt được bước tiến lớn hơn nữa. Nhờ những nỗ lực không ngừng, giờ đây, các nhà khoa học đã không chỉ chứng minh sự tồn tại mà còn tạo ra excitonium.
Trong một nghiên cứu công bố trên Science, các nhà khoa học đến từ Đại học California, Berkeley và Đại học Illinois ở Urbana-Champaign (Mỹ) đã xác nhận sự tồn tại của excitonium.
Để có được khám phá khoa học quan trọng này, các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu trên một loại tinh thể kim loại không pha tạp 1T-TiSe2. Cùng với đó, họ đã phát triển một kỹ thuật đột phá gọi là phổ tổn hao năng lượng điện tử (M-EELS).
Phương pháp này giúp đo được sự kích thích tập thể của các hạt boson năng lượng thấp, các electron với các lỗ trống liên kết.
Và mới đây, trong một nghiên cứu đột phá được công bố trên Physical Review, các nhà khoa học của Đại học Chicago có thể biến máy tính lượng tử tối tân nhất của IBM thành vật liệu lượng tử exciton.
Trong nghiên cứu của mình, các nhà khoa học đã lập trình máy tính để nó biến thành một loại vật liệu lượng tử ngưng tụ exciton, mà gần đây mới được chứng minh là tồn tại. Những chất ngưng tụ như vậy đã được chứng minh tiềm năng ứng dụng to lớn cho công nghệ tương lai vì chúng có thể truyền dẫn năng lượng mà hầu như không gây hao tổn.
Chuyên gia về cấu trúc điện tử phân tử, GS David Mazziotti, làm việc tại Khoa Hóa học, Viện James Franck và Sở Giao dịch lượng tử Chicago (Chicago Quantum Exchange) cho biết: Đây là sự kiện hết sức thú vị bởi vì chúng ta có thể sử dụng máy tính lượng tử để lập trình thực hiện các thí nghiệm chưa từng có.
Việc tạo ra ngưng tụ exciton sẽ mở ra những đột phá mới trong việc phát triển các vật liệu lượng tử hữu ích đầy tiềm năng.
IBM cho biết, họ sẵn sàng cung cấp các máy tính lượng tử của mình để mọi người trên khắp thế giới thử nghiệm các thuật toán của họ. IBM đã đồng ý “cho mượn” công ty lớn nhất của mình là Rochester đến Đại học Chicago để làm thí nghiệm.
Các nhà nghiên cứu đã viết một tập hợp các thuật toán trong đó coi mỗi bit lượng tử như một exciton. Máy tính lượng tử hoạt động bằng cách vướng víu các bit của nó, vì vậy, một khi máy tính hoạt động, toàn bộ chúng như một ngưng tụ exciton.
Kết quả nghiên cứu và thử nghiệm của các nhà khoa học cho thấy, có khả năng lập trình một máy tính lượng tử hoạt động giống như chất ngưng tụ exciton.
Điều này mở ra một chân trời mới trong việc tạo ra những vật liệu tiết kiệm năng lượng nhờ ứng dụng những tính chất siêu việt của chất ngưng tụ exciton.
