Các nhà nghiên cứu từ Đại học Geneva (UNIGE), phối hợp cùng Đại học Salerno và Viện CNR-SPIN, đã công bố bằng chứng thực nghiệm về một thuộc tính hình học cơ bản trong các vật liệu lượng tử. Phát hiện này, được đăng trên tạp chí Science năm 2025, làm sáng tỏ cách các electron di chuyển trong những vật liệu này, bẻ cong đường đi của chúng tương tự như cách lực hấp dẫn tác động lên ánh sáng.
Nghiên cứu này mở ra một khía cạnh mới trong vật lý lượng tử, hứa hẹn đẩy nhanh sự phát triển của các thiết bị điện tử thế hệ tiếp theo hoạt động với tốc độ chưa từng có. Cốt lõi của khám phá này là khái niệm "chỉ số lượng tử" (quantum metric), một đại lượng đo lường độ cong của không gian lượng tử mà các electron cư ngụ. Mặc dù cơ học lượng tử truyền thống mô tả hành vi của hạt thông qua hàm sóng và xác suất, chỉ số lượng tử tiết lộ một cấu trúc hình học tiềm ẩn ảnh hưởng đến các hàm sóng này. Khía cạnh hình học này đã được lý thuyết hóa trong hơn hai thập kỷ, nhưng đây là lần đầu tiên các hiệu ứng thực tế của nó được phát hiện bằng thực nghiệm, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong vật lý chất rắn.
Nghiên cứu tập trung vào giao diện giữa titanat stronti (SrTiO₃) và aluminat lantan (LaAlO₃), một hệ thống nổi tiếng với các dải electron hai chiều (2DEG) có đặc tính điện tử độc đáo. Bằng cách áp dụng từ trường mạnh, nhóm nghiên cứu đã cố tình làm biến dạng quỹ đạo của electron. Những biến dạng này đã phơi bày những ảnh hưởng tinh tế nhưng quan trọng của chỉ số lượng tử mà trước đây chưa được phát hiện, mang lại một góc nhìn mới về cơ chế vận chuyển electron trong các vật liệu phức tạp.
Khả năng kiểm soát đường đi của electron này rất quan trọng cho việc thiết kế vật liệu cho máy tính siêu tốc và truyền tải năng lượng hiệu quả. Sự tương đồng với thuyết tương đối rộng là rất rõ ràng: giống như các vật thể có khối lượng làm cong không-thời gian, chỉ số lượng tử làm cong không gian Hilbert trừu tượng mà các electron chiếm giữ, ảnh hưởng đến chuyển động và tương tác của chúng. Sự thay đổi khái niệm từ hình học hấp dẫn sang hình học lượng tử mở ra những con đường cho các thiết bị khai thác các thuộc tính nội tại này của vật liệu ở tần số terahertz, rất cần thiết cho truyền thông tiên tiến và xử lý thông tin lượng tử.
Trước đây, vai trò của các hiệu ứng hình học lượng tử trong các vật liệu thực tế phần lớn mang tính suy đoán. Tuy nhiên, khả năng kết nối lý thuyết với thực nghiệm của nhóm UNIGE cung cấp bằng chứng thuyết phục rằng chỉ số lượng tử là một thuộc tính nội tại có mặt trong nhiều vật liệu lượng tử, chứ không chỉ là một sự tò mò về mặt toán học. Điều này thách thức các giả định trước đây và gợi ý rằng thiết kế vật liệu trong tương lai phải tích hợp các hiệu ứng hình học này để hiện thực hóa tiềm năng đầy đủ của chúng.
Khóa chặt spin-momen (spin-momentum locking), nơi định hướng spin của electron gắn liền với hướng chuyển động của nó, là một thành phần quan trọng của khuôn khổ hình học này. Sự tương tác giữa spin và momentum dưới ảnh hưởng của chỉ số lượng tử dẫn đến những thay đổi bất ngờ trong các đặc tính vận chuyển điện tử. Những thay đổi này có thể là then chốt trong việc hiện thực hóa các thiết bị spintronic vượt trội hơn công nghệ bán dẫn hiện tại, làm sâu sắc thêm mối liên hệ giữa hình học lượng tử và các phản ứng điện tử hữu hình.
Mở rộng hơn nữa, những phát hiện này còn có ý nghĩa đối với tính siêu dẫn và tương tác ánh sáng-vật chất. Các vật liệu có hình học lượng tử không tầm thường có thể thể hiện các đặc tính siêu dẫn đã thay đổi, có khả năng dẫn đến nhiệt độ tới hạn cao hơn hoặc các cơ chế ghép cặp mới. Việc điều khiển quỹ đạo electron thông qua các hiệu ứng chỉ số lượng tử cũng có thể tăng cường sự ghép nối photon-electron, rất quan trọng để phát triển các thiết bị quang tử lượng tử hiệu quả.
Do đó, nghiên cứu này bắc cầu giữa vật lý cơ bản và công nghệ ứng dụng, có khả năng đẩy nhanh đổi mới trên nhiều lĩnh vực. Việc phát hiện các hiệu ứng chỉ số lượng tử đặt ra những thách thức do tính chất tinh tế và bản chất mong manh của sự kết hợp lượng tử trong điều kiện thực nghiệm. Nhóm nghiên cứu đã vượt qua những trở ngại này bằng cách sử dụng các kỹ thuật tiên tiến để áp dụng từ trường mạnh và giám sát hành vi electron ở quy mô nguyên tử. Cách tiếp cận đa ngành của họ, kết hợp vật lý lý thuyết, tổng hợp vật liệu tiên tiến và đo lường chính xác, nhấn mạnh nỗ lực hợp tác cần thiết để khám phá ra các hiện tượng lượng tử phức tạp như vậy.
Phát hiện này đặc biệt phù hợp với sự nhấn mạnh toàn cầu vào máy tính lượng tử và các thành phần điện tử siêu nhanh. Các vật liệu được thiết kế với các thuộc tính hình học lượng tử có thể mang lại tính di động điện tích vượt trội, giảm tiêu tán năng lượng và tăng cường độ ổn định hoạt động. Nghiên cứu này chỉ ra một mô hình mới, nơi các nguyên tắc hình học ở cấp độ lượng tử đóng vai trò là tham số thiết kế cho các công nghệ tương lai.
Những phát hiện này cũng thách thức các đơn giản hóa thông thường trong các mô hình khoa học vật liệu. Việc nhận ra rằng độ cong của chỉ số lượng tử tích cực định hình động lực học electron đòi hỏi phải đánh giá lại cách hành vi của vật liệu lượng tử được mô phỏng và dự đoán. Các mô hình toàn diện hơn tích hợp các chiều hình học này là rất quan trọng để dự báo chính xác các thuộc tính vật liệu và hướng dẫn các nỗ lực thực nghiệm.
Nhìn về phía trước, việc khám phá các hiệu ứng chỉ số lượng tử mang lại những hướng đi đầy hứa hẹn cho việc thiết kế có mục tiêu các vật liệu có phản ứng lượng tử cụ thể. Bằng cách điều khiển các yếu tố hình học, có thể tạo ra các thiết bị khai thác các hiện tượng này cho các ứng dụng như cảm biến có độ nhạy cao, qubit mạnh mẽ cho thông tin lượng tử hoặc bóng bán dẫn tiết kiệm năng lượng hoạt động ở tần số trước đây không thể đạt được. Sự giao thoa giữa hình học và cơ học lượng tử này làm phong phú thêm bối cảnh lý thuyết bằng cách kết hợp các cấu trúc toán học trừu tượng với xác minh thực nghiệm.
Bước đột phá này không chỉ nâng cao hiểu biết của chúng ta về vật liệu lượng tử mà còn định vị hình học lượng tử như là nền tảng cho sự đổi mới vật liệu, cho phép những tiến bộ đáng kể trong hiệu suất điện tử cho máy tính, viễn thông và hơn thế nữa. Khi việc điều tra các thuộc tính hình học này tiến triển, các hợp tác liên ngành sẽ rất cần thiết. Việc kết hợp chuyên môn từ vật lý, khoa học vật liệu và kỹ thuật sẽ đẩy nhanh quá trình chuyển đổi những hiểu biết này thành các công nghệ thực tế. Công trình của nhóm UNIGE đại diện cho một bước quan trọng trong quá trình này, thúc đẩy sự hiểu biết và sử dụng thế giới lượng tử của chúng ta vì lợi ích xã hội.