Lịch sử ngành nghiên cứu khoa học đã từng chứng kiến cảnh hai nhà khoa học cùng đi đến một kết luận mà không hề biết tới thành tựu của nhau. Mùa hè năm 2021, lại một lần nữa chúng ta chứng kiến sự kiện hiếm gặp. Nhưng lần này, nhờ khả năng kết nối toàn cầu, ba nhóm khác nhau đã có thể so sánh kết quả và nhanh chóng tìm ra kết luận chung.
Có ba đội nghiên cứu khác nhau đều nỗ lực tạo ra tinh thể từ các hạt mang điện electron, và một trong số đó đã thành công một cách ngẫu nhiên. Đột phá tới khi các nhà nghiên cứu tìm cách ứng dụng lớp bán dẫn có bề dày ngang ngửa một nguyên tử và được làm lạnh xuống gần độ 0 tuyệt đối.
Một đội được dẫn dắt bởi hai nhà nghiên cứu tới từ ĐH Harvard, là Hongkun Park và Eugene Demler, đã phát hiện ra rằng khi có một số nhất định các electron nằm trong thiết bị bán dẫn, các electron sẽ đứng im “một cách bí ẩn”. Nhìn thấy những điểm tương đồng giữa hiện tượng này và tinh thể Wigner (một khái niệm mới chỉ tồn tại trên giấy cho nhà vật lý học Eugene Wigner luận ra), nhóm nghiên cứu đào sâu tìm hiểu hiện tượng lạ. Theo các văn bản cũ, giáo sư Wigner nhận định với lực đẩy từ các tĩnh điện, electron dàn thành một lớp mỏng sẽ kết hợp thành dạng lưới có các mắt tam giác.
Nhóm của hai nhà nghiên cứu Park và Demler không đơn độc trong hành trình gian nan.
“Một đội bao gồm các nhà vật lý lý thuyết, dẫn đầu là Eugene Demler tới từ Đại học Harvard [...] đã luận ra được lý thuyết về những hiệu ứng sẽ xuất hiện khi quan sát tần số kích thích của trạng thái exciton - đó chính là những gì chúng tôi quan sát được trong phòng thí nghiệm”, Ataç Imamoğlu, một nhà nghiên cứu công tác tại ETH nói.
Imamoğlu nói về kết quả của họ trong nghiên cứu về exciton - trạng thái liên kết của một electron với một hố electron (khái niệm trạng thái thiếu electron tại một điểm mà tại đó, một nguyên tử hoặc một cấu trúc tinh thể cấu thành từ cách nguyên tử có thể tồn tại). Nhóm của Imamoğlu cũng ứng dụng kỹ thuật được mô tả trong tài liệu về cách hình thành tinh thể Wigner.
Ảnh minh họa của các nhà nghiên cứu tới từ ETH Zurich, chỉ ra electrong trong dung dịch hỗn loạn ra sau và nếu cấu trúc tinh thể Wigner hình thành, nó sẽ như thế nào.
Dựa trên khả năng đẩy những hạt khác, có thể nói electron vận hành tương tự các cực từ. Trong một khối rắn, các electron lại có thể giúp tạo nên những cấu trúc tinh thể lặp lại. Thế nhưng câu chuyện lại khác khi electron tồn tại trong chất lỏng. Bởi lẽ các electron nằm trong chất lỏng rất dễ bị tác động, chúng thay đổi trạng thái chỉ với những ảnh hưởng nhỏ nhất.
Để khiến electron giữ nguyên trạng thái, các điều kiện tác động chúng phải đạt tới mức hoàn hảo. Đầu tiên, số lượng các electron ít sẽ khiến thí nghiệm dễ hơn đôi phần. Bên cạnh đó, khi có một số lượng nhất định của các electron, các nhà khoa học có thể dễ dàng xếp chúng thành một cấu trúc lưới hoàn hảo.
Vẫn còn một nhóm thứ ba nữa tiến hành nghiên cứu bán dẫn có bề dày một nguyên tử. Có sự góp mặt của tác giả Feng Wang tới từ UC Berkeley, nhóm cũng tìm cách xếp electron lại thành cấu trúc tinh thể, có điều khoảng cách giữa các electron trong nghiên cứu này xa hơn hai nỗ lực kể trên.
Rồi còn yếu tố nhiệt độ nữa. Khi nhiệt xuống thấp, chuyển động của các hạt sẽ chậm dần lại. Khi đạt tới gần độ 0 tuyệt đối, các electron sẽ không còn “chạy loạn” mà sẽ gần như giữ nguyên vị trí đã được định trước. Đây là thời điểm các hiệu ứng lượng tử xuất hiện, trám chỗ những hành vi thuộc về cơ học cổ điển. Dù ở trong môi trường nước, electron vẫn thể hiện những đặc tính của hạt. Khi nhiệt độ đủ thấp, việc kiềm giữ electron tại chỗ trở nên dễ dàng, và với lượng electron đủ nhiều, chúng tự sắp xếp với nhau một cách có trật tự.
Những mũ màu đỏ chỉ trạng thái tinh thể Wigner của các electron tồn tại trong một lớp vật chất bán dẫn (hình xanh và xám).
Electron là đơn vị có liên quan tới điện học, từ đó ta có thể suy ra một cụm các electron sẽ tạo thành một khối phát điện. Tuy nhiên khái niệm về tinh thể Wigner lại chỉ ra một thực trạng khác: điện xuất phát từ chuyển động của các electron chứ không phải sự hiện diện của chúng. Khi các hạt electron nằm vừa vặn trong một mạng lưới, chúng sẽ ít có không gian di chuyển và phát điện. Cấu trúc electron này hoạt động như một lớp cách điện thứ thiệt.
Đó là lý do tại sao các nhà nghiên cứu biết mình đã chế tạo thành công một tinh thể làm từ electron. Nằm gần như cố định tại vị trí của mình, cấu trúc electron không làm đúng vai trò của một bán dẫn, chúng lại có thể cách điện.
Những dao động lượng tử xảy ra ở nhiệt độ gần độ 0 tuyệt đối đã gây ra hiện tượng chuyển trạng thái lượng tử, khiến một dung dịch chảy tự do trở thành tinh thể lượng tử, trở thành tinh thể Wigner. Các nhà khoa học tin rằng việc chuyển giao trạng thái lượng tử này đóng vai trò quan trọng trong nhiều hệ thống lượng tử tương lai.
Nhà vật lý học Eugene Wigner.
Khi nhóm nghiên cứu tại Harvard biết mình đang có trong tay tinh thể Wigner, họ thử nung chảy lượng tử (làm chảy cấu trúc ở quy mô hiển vi) cả hệ thống xem chuyện gì xảy ra.
Tất cả những hoạt động được mô tả trong các báo cáo nghiên cứu đều diễn ra ở quy mô nhỏ tới mức không kính hiển vi quang học nào theo dõi được, kính hiển vi STM (Scanning tunneling microscope) chuyên dùng để theo dõi vật chất cỡ nguyên tử lại làm hỏng cấu trúc tinh thể. Nhóm của nhà nghiên cứu Wang có thể quan sát kỹ càng nhất khi đặt trên cấu trúc tinh thể một lớp graphene có bề dày 1 nguyên tử. Tinh thể Wigner gây ra tác động nhỏ tới cấu trúc electron của lớp graphene, đủ nhiều để kính hiển vi STM có thể quan sát cấu trúc bên dưới.
Để khẳng định được rằng họ đã tạo ra tinh thể Wigner, nhóm đã phải sử dụng các hạt photon để bắn tung các hạt electron ra, tạo ra một exciton quan sát được bằng kính hiển vi chuyên dụng.
Theo công bố của nhà nghiên cứu Demler, đột phá mới “tiệm cận việc chuyển giao từ vật chất bán lượng tử thành vật chất bán cổ điển, sẽ sản sinh ra nhiều những hiện tượng, những đặc tính lạ lùng và thú vị”. Thời gian sẽ trả lời những hiện tượng, những đặc tính đó là gì, và liệu chúng sẽ ứng dụng được gì vào những hệ thống lượng tử tương lai.