Khi nghĩ về các trạng thái của vật chất, chúng ta thường chỉ dừng lại ở rắn, lỏng, khí và plasma. Tuy nhiên, thế giới vật lý lượng tử ẩn chứa những trạng thái kỳ lạ hơn nhiều, tồn tại trong các điều kiện khắc nghiệt của phòng thí nghiệm. Mới đây, các nhà khoa học đã công bố phát hiện ra một trạng thái hoàn toàn mới của vật chất, được đặt tên là Kim loại Jahn-Teller. Đây không chỉ là một khám phá học thuật, mà có thể chính là chìa khóa để giải mã một trong những bí ẩn lớn nhất của vật lý hiện đại: chất siêu dẫn nhiệt độ cao.
Phát hiện này mô tả một loại vật liệu lai tạp độc đáo, có thể biểu hiện đồng thời các đặc tính của chất cách điện, chất siêu dẫn, kim loại và nam châm.
Tại Sao Siêu Dẫn Nhiệt Độ Cao Lại Quan Trọng Đến Vậy?
Để hiểu tầm quan trọng của phát hiện này, trước hết cần hiểu về "chén thánh" của ngành vật lý vật chất: tính siêu dẫn nhiệt độ cao.
- Tính siêu dẫn là gì? Đó là hiện tượng một vật liệu có thể dẫn điện với điện trở bằng 0. Điều này có nghĩa là dòng điện có thể chạy qua nó mà không hề bị hao hụt năng lượng dưới dạng nhiệt, âm thanh hay bất kỳ hình thức nào khác.
- Vấn đề: Hiện tượng này thường chỉ xảy ra ở nhiệt độ cực kỳ thấp, gần độ không tuyệt đối (-273,2°C), khiến việc ứng dụng trở nên vô cùng tốn kém và không thực tế.
- Mục tiêu: Các nhà khoa học đang tìm cách tạo ra các vật liệu có thể đạt được tính siêu dẫn ở nhiệt độ "cao" hơn (ví dụ như -135°C). Dù vẫn rất lạnh, mức nhiệt độ này dễ dàng đạt được và duy trì hơn rất nhiều.
Nếu thành công, nó sẽ tạo ra một cuộc cách mạng: các đường dây tải điện không hao tổn, tàu đệm từ siêu tốc, máy MRI hiệu quả hơn và máy tính lượng tử mạnh mẽ. Kim loại Jahn-Teller chính là một tia hy vọng mới trong cuộc tìm kiếm này.
Thí Nghiệm Đột Phá: Tạo Ra Trạng Thái Vật Chất Mới
Một nhóm nghiên cứu do nhà hóa học Kosmas Prassides từ Đại học Tohoku, Nhật Bản, dẫn đầu đã thực hiện một thí nghiệm tinh vi:
- Nguyên liệu: Họ sử dụng các phân tử carbon-60, thường được gọi là "buckyball" vì có cấu trúc rỗng giống quả bóng đá.
- Quá trình "pha tạp": Họ chèn các nguyên tử rubidium vào giữa các phân tử buckyball này.
- Tạo ra "áp suất hóa học": Bằng cách thay đổi số lượng nguyên tử rubidium, họ có thể kiểm soát chính xác khoảng cách giữa các buckyball, ép chúng lại gần nhau hơn hoặc đẩy chúng ra xa hơn. Đây không phải là áp suất cơ học thông thường, mà là một dạng "áp suất hóa học" ở cấp độ phân tử.
Khi cấu trúc tinh thể mới này được kiểm tra, nó đã biểu hiện một tập hợp các trạng thái vật chất chưa từng thấy, bao gồm cả trạng thái được đặt tên là Kim loại Jahn-Teller.
Kim Loại Jahn-Teller Hoạt Động Như Thế Nào?
Cái tên của trạng thái vật chất mới này bắt nguồn từ hiệu ứng Jahn-Teller, một nguyên lý trong hóa học mô tả cách cấu trúc hình học của các phân tử có thể bị "méo mó" để đạt được trạng thái năng lượng ổn định hơn. Sự méo mó này chính là chìa khóa.
Phát hiện đột phá của nhóm nghiên cứu nằm ở một giai đoạn chuyển tiếp kỳ lạ:
- Khi các phân tử buckyball ở xa nhau, vật liệu hoạt động như một chất cách điện – các electron bị khóa tại chỗ và không thể dẫn điện.
- Khi các nhà khoa học dùng "áp suất hóa học" để ép các buckyball lại gần nhau, hiệu ứng Jahn-Teller xảy ra, làm biến dạng cấu trúc của chúng.
- Ngay tại thời điểm chuyển tiếp, một trạng thái vật chất hỗn loạn, chồng chéo xuất hiện. Về mặt cấu trúc, vật liệu vẫn trông giống như một chất cách điện, nhưng các electron bên trong lại đột nhiên có thể "nhảy nhót xung quanh một cách tự do" như thể nó là một kim loại (vật dẫn).
Đây chính là Kim loại Jahn-Teller: một trạng thái vật chất tồn tại ở ranh giới mong manh giữa chất cách điện và chất dẫn điện, một trạng thái mà trước đây khoa học chưa từng quan sát được.
Ý Nghĩa và Tương Lai
Giai đoạn chuyển tiếp độc đáo này được cho là "mắt xích còn thiếu", là điều kiện tiên quyết để tính siêu dẫn nhiệt độ cao xuất hiện. Cấu trúc buckyball đã thể hiện khả năng này ở một nhiệt độ tới hạn (Tc) tương đối cao.
Nhóm nghiên cứu viết trên tạp chí Science Advances: "Mối quan hệ giữa trạng thái cách điện ban đầu, trạng thái kim loại và cơ chế siêu dẫn là câu hỏi trung tâm trong việc tìm hiểu tất cả các chất siêu dẫn độc đáo."
Dù vẫn còn rất nhiều nghiên cứu cần thực hiện trước khi khám phá này có thể được ứng dụng vào thực tế, nó đã mở ra một hướng đi hoàn toàn mới. Như nhà hóa học Elisabeth Nicol từ Đại học Guelph (Canada) nhận định: "Việc hiểu được các cơ chế này chắc chắn sẽ truyền cảm hứng cho việc phát triển các vật liệu [siêu dẫn] mới." Phát hiện về Kim loại Jahn-Teller có thể không ngay lập tức thay đổi thế giới, nhưng nó đã cung cấp một bản đồ mới cho các nhà khoa học trên hành trình chinh phục một trong những mục tiêu vĩ đại nhất của vật lý hiện đại.
