Cụm bốn electron - Trạng thái đặc biệt mở ra khả năng siêu dẫn mới và thiết bị điện tử tiên tiến

Trạng thái siêu dẫn xuất hiện khi electron trong kim loại kết đôi, di chuyển xuyên suốt vật liệu dẫn mà không gặp điện trở. Sự thật không còn đơn giản vậy, khi các nhà khoa học Đức phát hiện electron còn có thể gộp vào theo nhóm bốn, tạo thành trạng thái mới của vật chất và đồng thời, mở tiềm năng cho cơ chế siêu dẫn mới.

Khả năng dẫn điện của vật chất mô tả mức độ tự do của electron trong vật liệu, nhưng ngay cả những vật chất dễ truyền điện như vàng, điện trở vẫn hiện hữu. Trạng thái siêu dẫn sẽ mang tới khả năng dẫn điện không còn điện trở, tuy nhiên mới chỉ ổn định trong điều kiện nhiệt độ trung bình của hệ thống cực thấp.

Hình minh họa bốn electron co cụm thành một nhóm trong lớp vật chất siêu dẫn, do họa sĩ Jörg Bandmann tại Pixelwg mô tả.

Để có thể di chuyển trong môi trường siêu dẫn dễ dàng, các electron ghép thành cặp, chuyển thành trạng thái cặp đôi Cooper (đặt theo tên nhà vật lý học Leon Cooper). Trạng thái này tăng mức năng lượng cần có để ảnh hưởng tới quỹ đạo bay của electron, và nếu nhiệt độ trung bình của vật liệu đủ thấp, nguyên tử sẽ không sở hữu đủ nhiệt năng để thao túng cặp electron. Các hạt mang điện tí hon sẽ trôi tự do mà không bị hao năng lượng.

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học công tác tại Đại học Dresden và Würzburg (Đức) phát hiện thêm trạng thái kết nối mới của các cặp đôi Cooper. Trong một loại thiết bị siêu dẫn cụ thể, các cặp electron ghép với nhau thành cụm bốn hạt mang điện.

Trưởng ban nghiên cứu, Henning Klauss và các cộng sự “sử dụng nhiều phương pháp để xác nhận kết quả nghiên cứu”, và khẳng định “các nhóm bốn electron xuất hiện trong một số kim loại cụ thể, tạo thành một trạng thái mới của vật chất tại nhiệt độ cực thấp”.

Trạng thái siêu dẫn mới chỉ ổn định ở mức nhiệt độ cực thấp.

Hiện tượng xuất hiện trong hợp chất chứa bari, kali, sắt và asen. Từ một thập kỷ trước, giới khoa học đã có những suy đoán nhất định, nhưng bằng chứng chưa hiện hữu cho tới giờ. Các nhà khoa học đã cần tới hai năm nghiên cứu mới có thể đi đến kết luận cuối cùng.

Cặp bốn electron mở ra khả năng tồn tại một trạng thái siêu dẫn mới, đồng thời mở đường cho những thiết bị tân tiến mới. Nhưng trước khi áp dụng được vào thực tế, các nhà khoa học sẽ cần tìm hiểu kỹ hơn về cách thức vận hành của trạng thái mới, vật liệu tối ưu để duy trì tính siêu dẫn, và cách tạo ra các cặp bốn electron.

“Ta có thể giả định kết quả sẽ dẫn tới một lối nghiên cứu mới, tìm kiếm những kim loại chứa các cụm bốn electron, hoặc là tìm cách biến đổi kim loại để dễ dàng hậu thuẫn trạng thái bốn electron. Trên lý thuyết, một trạng thái siêu dẫn mới có thể hình thành nhờ các cụm electron”, nhà nghiên cứu Klauss kết luận.

Cập nhật: 18/11/2021 Theo Pháp luật&bạn đọc