Tình cờ phát hiện dao động lượng tử trong chất cách điện: Có thể là hạt lượng tử hoàn toàn mới!

Về cơ bản, kim loại dẫn điện còn chất cách điện thì không. Ở cấp độ phân tử, đó là cách các điện tử tự do có thể di chuyển qua các vật liệu. Trong kim loại, các điện tử rất di động, trong khi với chất cách điện thì rõ ràng chúng có điện trở cao nên ngăn cản khả năng di chuyển của điện tử rất nhiều.

Như một tác dụng phụ của điều này, kim loại có thể thể hiện một hiện tượng được gọi là dao động lượng tử. Khi tiếp xúc với từ trường ở nhiệt độ rất thấp, các electron có thể chuyển sang trạng thái lượng tử làm cho điện trở suất của vật liệu dao động. Tuy nhiên, điều này không xảy ra ở chất cách điện, vì các electron của chúng không chuyển động tốt.

Hoặc ít nhất đó là suy nghĩ thông thường trong hơn một thế kỷ qua. Trong một nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu của Đại học Princeton đã lần đầu tiên tình cờ phát hiện ra dao động lượng tử trong một chất cách điện.

Nhóm nghiên cứu đã làm việc với vonfram ditelluride, một hợp chất hóa học bán kim loại vô cơ. Nó hoạt động giống như một kim loại với khối lượng lớn nhưng trở thành chất cách điện khi nó được cạo thành dạng mỏng như graphene. Trong khi đo điện trở suất của vật liệu đơn lớp dưới từ trường, họ nhận thấy rằng nó bắt đầu dao động.

"Điều này hoàn toàn gây bất ngờ", Sanfeng Wu, tác giả của nghiên cứu cho biết. "Chúng tôi tự hỏi mình: 'Chuyện gì đang xảy ra ở đây?'. Chúng tôi chưa hiểu hết về nó".

Hiện tượng này không thể được giải thích bằng các lý thuyết hiện tại, nhưng các nhà nghiên cứu đã đưa ra giả thuyết của riêng mình. Họ nói rằng nó có thể không phải là bản thân các electron đang dao động. Đúng hơn, các tương tác mạnh có thể tạo ra các hạt lượng tử mới và thể hiện hiệu ứng có thể quan sát được.

Vì chất cách điện ngăn các hạt mang điện, như electron, chuyển động tự do, nên những hạt mới này sẽ phải có điện tích trung hòa. Loại hạt lượng tử hoàn toàn mới, mà nhóm nghiên cứu gọi là fermion trung tính, sau đó có thể biểu hiện các dao động lượng tử quan sát được.

"Nếu những giải thích của chúng tôi là đúng, về cơ bản chúng ta đang thấy một dạng vật chất lượng tử mới", Wu nói. "Chúng tôi hiện đang tưởng tượng về một thế giới lượng tử hoàn toàn mới ẩn trong các chất cách điện. Có thể là chúng ta đã bỏ lỡ việc xác định chúng trong vài thập kỷ qua."

Nhóm nghiên cứu nói rằng sẽ cần phải thực hiện nhiều thử nghiệm hơn nữa để xác minh xem các fermion trung tính có tồn tại hay không, hoặc liệu có một số lời giải thích khác cho những điều kỳ lạ quan sát được hay không.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.

Nguồn: GenK