Siêu dẫn của ba lớp graphene xoáy

– Thứ nhất: Cái trò chơi siêu dẫn bằng việc xoáy các lớp vật liệu với nhau này được khởi xướng bởi nhóm Jarillo-Herrero và năm 2018. Nhóm xoáy hai lớp graphene một góc 1,1 độ thì phát hiện ra chất siêu dẫn. Tác giả đầu là Yuan Cao khi đó là sinh viên PhD, giờ có lẽ là một trong những Postdoc được săn đón nhất thế giới. Phát hiện này không có tính thực tế, vì siêu dẫn ở nhiệt độ rất thấp. Nó chỉ đơn giản mở ra một “cách chơi mới” trong bài toán siêu dẫn đó là xoáy các vật liệu 2 lớp. Mô hình xoáy này mà nhìn từ trên xuống sẽ thấy giống như một hình kính vạn hoa. Ban đầu các nhà khoa học cho chằng mô hình này là chìa khóa của siêu dẫn. Vì vậy, hầu hết các nhóm nghiên cứu xoáy bất cứ cái gì mà họ chạm vào, từ MoS2 đến Si. Các mô hình mọc lên như một sở thú, nhưng không có ai thành công, duy nhất graphene hai lớp là thực sự đạt đến siêu dẫn. Vì vậy graphene ba lớp cho thấy siêu dẫn là thanh viên thứ hai trong cái sở thú này. Do đó nó có tầm quan trọng để hiểu cơ chế tại sao lại có siêu dẫn trong mô hình “kính vạn hoa”. Việc các mô hình khác xoáy không thực sự đạt đến siêu dẫn cũng khá bất ngờ với mình, trước cứ nghĩ là khi xoáy hai lớp vật liệu thì vùng không gian ảo (vùng nghịch đảo với không gian thật, nơi mà các điện tử sống) sẽ bị nén lại rất nhỏ, và tới một giá trị nhất định nó sẽ là cho tương tác của giao động vùng không gian đó (phonon) với các điện tử sống trong đó đủ lớn để tạo thành siêu dẫn như lý thuyết BSC truyền thống. Nhưng hóa ra không phải vậy.

– Thứ hai: Siêu đẫn là gì, đó là điện tử di chuyển mà không có bất kỳ lực cản nào. Giống như bạn chạy giữa một dòng người đông đúc ngang dọc, nhưng lại không va vào ai. Điều này gần như là không thể xảy ra, nhưng thực nghiệm lại quan sát được là với nhiệt độ gần độ không tuyệt đối nó có thể xảy ra. Điều này được giải thích bởi lý thuyết BSC khoảng một trăm năm trước, một lý thuyết kinh điển. Nó nói rằng, tại nhiệt độ thấp như vậy, các điện tử không chạy riêng lẻ mà tạo thành từng cặp, nó đi đến đâu thì các cặp khác liền nhường chỗ cho nó đi. Nó kiểu như các cặp gia đình hạnh phúc, thì chả ai tán ai, hay ngoại tình làm gì. Nó là một sự hoàn hảo. Nhưng như mình nói trên, lý thuyết này lại có vẻ không đúng với trường hợp mô hình kính vạn hoa. Vì nếu nó đúng, nó phải đúng với tất cả các vật liệu khác nhau, mặc dù nhiệt độ đạt siêu dẫn có thể khác nhau. Trong khi đó, mô hình kính vạn hoa chỉ cho thấy siêu dẫn với graphene 2 lớp hoặc 3 lớp. Tại sao thì mình cũng không hiểu. Gần đây có nhóm nghiên cứu cho rằng là do các xoáy skyrmions, ai làm về vật liệu phân cực, hoặc từ sẽ rất quen thuộc với thuật ngữ này. Một xoáy này nôm na là các véc tơ từ tính của điện tử sẽ tạo với nhau thành các hình xoáy ốc như hình dưới (hình từ trang Quanta Magazine). Tâm của hình xoáy này gọi là mắt bão. Khi hai mắt bão của lớp trên và lớp dưới ngược chiều nhau, thì các skyrmions cũng có thể hình thành các cặp di chuyển cùng nhau giống như electron. Các cặp này đòi hỏi một đối xứng tam giác, cái mà chỉ xuất hiện ở một số ít vật liệu hai chiều như graphene. Cách giải thích này có thể lý giải tạo sao hiện nay chỉ có graphene là được phát hiện siêu dẫn với mô hình kính vạn hoa. Nhưng mình vẫn chưa hiểu lắm, phonon sẽ có vai trò gì trong mô hình này? Hi vọng tương lai gần, mô hình có đối xứng tam giác khác graphene có thể được kiểm chứng, và cơ chế siêu dẫn được lý giải.

Chia sẻ của thành viên, Giáo sư trợ lý Nguyễn Tuấn Hưng, Đại học Tohoku

Hình ảnh lấy từ trang facebook của tác giả