Nhóm cách nhà vật lý của MIT đã tạo ra một siêu xa lộ năm làn xe cho các điện tử, có thể cho phép thực hiện điện tử hoạt động siêu hiệu quả và hơn thế nữa. Công trình này, đã được đăng trên tạp chí Science số ra mới đây, là một trong nhiều khám phá quan trọng của nhóm nghiên cứu trong suốt năm qua, liên quan đến vật liệu graphene độc đáo.

Long Ju, phó giáo sư vật lý tại MIT, đồng tác giả của bài báo, cho biết: “Khám phá này có ý nghĩa lớn đối với các thiết bị điện tử công suất thấp vì không bị mất năng lượng trong quá trình truyền electron - điều không xảy ra ở các vật liệu thông thường khi các electron bị phân tán”.

Hiện tượng này giống như những chiếc ô tô đi xuống một lối rẽ mở. Nó trái ngược hẳn với những chiếc ô tô di chuyển qua các khu vực lân cận, có thể bị dừng lại hoặc phải giảm tốc độ do những xe khác dừng đột ngột hoặc quay đầu xe làm gián đoạn quá trình chạy xe.

Vật liệu này là graphene năm mặt hình thoi. Nó đã được phát hiện cách đây hai năm. Nhóm các nhà vật lý của MIT do Ju đứng đầu cho biết: “Chúng tôi đã tìm thấy được một mỏ vàng và mỗi một tin “sốt dẻo” đều tiết lộ điều gì đó khá mới mẻ”.

Trong một bài báo về Công nghệ nano tự nhiên vào tháng 10 năm ngoái, Ju và các đồng nghiệp đã báo cáo việc phát hiện ra ba tính chất quan trọng của graphene hình thoi. Trong nghiên cứu hiện tại, nhóm nghiên cứu báo cáo việc tạo ra siêu xa lộ không có từ trường.

Tonghang Han, cựu sinh viên chuyên ngành vật lý của MIT, đồng tác giả bài báo giải thích: “Chúng tôi không phải là những người đầu tiên phát hiện ra hiện tượng này, nhưng chúng tôi đã thực hiện nó trong một hệ thống rất khác. So với các hệ thống trước đây, hệ thống của chúng tôi đơn giản hơn và cũng hỗ trợ nhiều kênh điện tử hơn. Các vật liệu khác chỉ có thể hỗ trợ một làn đường giao thông ở rìa vật liệu. Chúng tôi thật bất ngờ khi có thể tăng lên 5 làn".

Ju và các đồng nghiệp đã phân lập được graphene hình thoi nhờ một kính hiển vi mới do Ju chế tạo được tại MIT vào năm 2021. Kính hiển vi này có thể xác định nhanh chóng và tương đối ít tốn kém nhiều đặc tính quan trọng của vật liệu ở cấp độ nano. Graphene xếp chồng hình thoi năm lớp chỉ dày chỉ vài phần tỷ mét. Trong nghiên cứu hiện tại, nhóm nghiên cứu đã sửa đổi hệ thống ban đầu, bổ sung thêm một lớp vonfram disulfua (WS2). Ju cho biết: “Sự tương tác giữa WS2 và graphene hình thoi năm lớp đã tạo ra một siêu xa lộ 5 làn xe này, hoạt động được ở trạng thái từ trường bằng 0”.

Hiện tượng mà nhóm Ju phát hiện ở graphene hình thoi cho phép các electron chuyển động mà không có lực cản ở từ trường bằng 0 được gọi là hiệu ứng Hall dị thường lượng tử. Đa số mọi người đều quen thuộc với tính siêu dẫn hơn, một hiện tượng hoàn toàn khác, có tác dụng tương tự nhưng xảy ra ở những vật liệu rất khác nhau. Ju lưu ý rằng mặc dù chất siêu dẫn được phát hiện vào những năm 1910 nhưng phải mất khoảng 100 năm nghiên cứu để hệ thống có thể hoạt động ở nhiệt độ cao cần thiết cho các ứng dụng. Siêu xa lộ graphene hình thoi hiện đang hoạt động ở nhiệt độ khoảng 2 Kelvin, hay -456 Fahrenheit. Ju cho biết: “Sẽ cần rất nhiều nỗ lực để nâng cao nhiệt độ, nhưng với tư cách là nhà vật lý, công việc của chúng tôi là cung cấp cái nhìn sâu sắc và một cách khác để hiện thực hóa hiện tượng này”.

Những khám phá liên quan đến graphene hình thoi là kết quả của một cuộc nghiên cứu tỉ mỉ nhưng không được đảm bảo sẽ thành công. Ju cho biết: “Chúng tôi đã thử nhiều công thức nấu ăn trong nhiều tháng, vì vậy thật thú vị khi chúng tôi làm mát hệ thống đến nhiệt độ rất thấp và [một đường siêu xa lộ 5 làn hoạt động ở từ trường bằng 0] vừa xuất hiện”. “Thật thú vị khi là nhóm nghiên cứu đầu tiên khám phá ra một hiện tượng trong một hệ thống mới, đặc biệt là trong vật liệu mà chúng tôi đã khám phá ra”. 

Nguồn: NASATI