MIT Xác Nhận Dấu Hiệu Siêu Dẫn Bất Thường Trong Graphene Ba Lớp Xoắn Góc Ma Thuật

Các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã công bố bằng chứng then chốt xác nhận sự tồn tại của hiện tượng siêu dẫn bất thường trong cấu trúc graphene ba lớp xoắn góc ma thuật (MATTG). Phát hiện này, được ghi nhận trên tạp chí Science, cung cấp sự xác nhận trực tiếp nhất về tính chất điện tử dị thường của vật liệu được chế tạo bằng cách xếp chồng ba lớp graphene siêu mỏng với một góc xoắn chính xác. Quan sát này không chỉ là một thành tựu trong vật lý chất rắn ngưng tụ mà còn là một bước tiến quan trọng hướng tới mục tiêu phát triển các vật liệu siêu dẫn hoạt động ở nhiệt độ phòng.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một nền tảng thử nghiệm mới, kết hợp phép đo truyền tải điện tử và phép đo vận chuyển điện, để trực tiếp giám sát khe năng lượng siêu dẫn khi nó xuất hiện trong các vật liệu hai chiều (2D) theo thời gian thực. Nền tảng tiên tiến này cho phép các nhà khoa học đo lường trực tiếp khe siêu dẫn, một đặc tính mô tả độ bền của trạng thái siêu dẫn ở các nhiệt độ và từ trường khác nhau. Cốt lõi của khám phá là việc ghi nhận một cấu hình khe siêu dẫn hình chữ V đặc trưng, hoàn toàn khác biệt so với hình dạng phẳng và đồng nhất quan sát được ở các chất siêu dẫn thông thường.

Trong các chất siêu dẫn quy ước, sự ghép cặp điện tử được cho là xảy ra thông qua các dao động của mạng tinh thể nguyên tử xung quanh. Tuy nhiên, khe hình chữ V này gợi ý một cơ chế ghép cặp khác biệt và mạnh mẽ hơn, có thể liên quan đến các tương tác điện tử mạnh mẽ vốn có trong siêu mạng lưới (moiré superlattice) của vật liệu. Các tác giả đồng dẫn đầu nghiên cứu, Shuwen Sun, sinh viên tốt nghiệp Khoa Vật lý MIT, và Tiến sĩ Jeong Min Park, cho rằng sự khác biệt này chỉ ra rằng các tương tác điện tử mạnh mẽ, thay vì dao động mạng tinh thể, có thể là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng siêu dẫn trong MATTG.

Nghiên cứu này còn có sự tham gia của các đồng tác giả Kenji Watanabe và Takashi Taniguchi từ Viện Khoa học Vật liệu Quốc gia (NIMS) tại Nhật Bản, những người cung cấp các vật liệu 2D chất lượng cao, bao gồm cả việc sử dụng tinh thể đơn của boron nitride (h-BN) làm chất nền lý tưởng. Việc quan sát khe siêu dẫn hình chữ V này xuất hiện đồng thời với trạng thái siêu dẫn (điện trở bằng không) là dấu hiệu rõ ràng nhất cho thấy MATTG đang thể hiện tính chất siêu dẫn bất thường. Việc giải mã cơ chế ghép cặp phi truyền thống này có ý nghĩa sâu sắc đối với công nghệ tương lai, đặc biệt là việc chế tạo vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ ấm hơn, gần nhiệt độ phòng, có thể cải thiện các lưới điện và máy tính lượng tử.

Thành tựu này xây dựng dựa trên các nghiên cứu trước đây về graphene xoắn góc, nơi các nhà lý thuyết đã dự đoán rằng việc xếp chồng hai lớp graphene ở một góc độ đặc biệt có thể tạo ra các dải điện tử phẳng với các electron tương quan mạnh, kích hoạt các pha dị thường. Việc xác nhận cơ chế phi truyền thống này trong MATTG thông qua bằng chứng thực nghiệm rõ ràng về khe năng lượng là một bước tiến quan trọng, cung cấp các manh mối cụ thể để thúc đẩy các nỗ lực nghiên cứu vật liệu lượng tử có tầm quan trọng chiến lược rộng rãi.