Khám phá mới về trạng thái siêu dẫn của vật chất

Đột phá trong Vật lý lượng tử: Hiểu về Pseudogap

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một thuật toán phức tạp được gọi là Sơ đồ Monte Carlo để mô phỏng hành vi của electron trong các vật liệu siêu dẫn, dẫn đến những đột phá tiềm năng trong việc hiểu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng, có thể cách mạng hóa việc truyền tải điện và các công nghệ khác, đặc biệt là lĩnh vực công nghệ thông tin.

Một số vật liệu liên quan đến đồng và oxy thể hiện tính siêu dẫn (nơi dòng điện chạy mà điện trở bằng 0) ở nhiệt độ tương đối cao so với lạnh tuyệt đối (gọi là cao nhưng vẫn dưới âm 140 độ C). Ở nhiệt độ cao hơn, các vật liệu này rơi vào trạng thái được gọi là pseudogap, đôi khi chúng hoạt động giống như kim loại bình thường và đôi khi hoạt động giống chất bán dẫn hơn.

Các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng pseudogap xuất hiện trong tất cả các vật liệu được gọi là siêu dẫn nhiệt độ cao. Nhưng họ không hiểu tại sao hoặc làm thế nào nó xuất hiện, hoặc liệu nó có tồn tại khi nhiệt độ giảm xuống 0 độ tuyệt đối (âm 273,15 độ C), giới hạn nhiệt độ thấp không thể đạt tới trong thực tế do phân tử không thể ngừng chuyển động.

Thông tin chi tiết về siêu dẫn và Pseudogap

Đồng tác giả nghiên cứu Antoine Georges, giám đốc Trung tâm Vật lý lượng tử tính toán của Viện Flatiron cho biết: Bằng cách hiểu rõ hơn về cách pseudogap xuất hiện và cách nó liên quan đến các đặc tính lý thuyết của vật liệu siêu dẫn ở 0 độ tuyệt đối, các nhà khoa học đang có được bức tranh rõ ràng hơn về những vật liệu đó.

Georges ví von: "Giống như bạn có một khung cảnh và rất nhiều sương mù mà trước đây bạn chỉ có thể nhìn thấy một vài thung lũng và một vài đỉnh núi. Bây giờ sương mù đang tan và chúng ta có thể thấy nhiều cảnh vật hơn. Đây thực sự là thời điểm khá thú vị”.

Các nhà vật lý lượng tử có thể nghiên cứu các trạng thái như pseudogap bằng các phương pháp tính toán mô phỏng hành vi của các electron trong vật liệu. Tuy nhiên, những phép tính này cực kỳ khó khăn do vướng mắc lượng tử, trong đó các electron có tính kết nối và không thể được xử lý riêng lẻ ngay cả sau khi chúng tách ra. Đối với hơn vài chục electron, việc tính toán trực tiếp hành vi của tất cả các hạt cũng là không thể.

Georges nói: “Việc tính toán các đặc tính của những vật liệu này là một thách thức cực kỳ lớn vì ta không thể mô phỏng chúng chính xác trên ngay cả máy tính mạnh nhất. Ta phải dùng đến các thuật toán thông minh và các mô hình đơn giản hóa”.

Thu hẹp khoảng cách nhiệt độ trong các mô hình lượng tử

Một mô hình nổi tiếng được gọi là mô hình Hubbard: Các nhà nghiên cứu coi vật liệu như một bàn cờ vua mà các electron có thể nhảy giữa các không gian liền kề như một quân xe. Các electron có thể có độ quay hướng lên hoặc hướng xuống. Hai electron chỉ có thể chia sẻ một không gian trên bàn cờ nếu chúng có spin ngược nhau và phải đánh đổi bằng năng lượng. Với mô hình có nguồn gốc từ những năm 1960 này, các nhà khoa học có thể triển khai các phương pháp tính toán khác nhau, mỗi phương pháp có điểm mạnh và điểm yếu trong các tình huống khác nhau.

Fedor Šimkovic IV là tác giả chính của nghiên cứu mới và là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ với đồng tác giả Michel Ferrero tại École Polytechnique and Collège de France ở Paris - người hiện là trưởng nhóm tại IQM Quantum Computers ở Munich, Đức. Họ cho biết: “Có một nhóm phương pháp hoạt động rất tốt ở 0 độ tuyệt đối và có một nhóm phương pháp khác hoạt động rất tốt ở nhiệt độ hữu hạn,. Hai thế giới này thường không giao tiếp với nhau vì ở giữa chúng, ở nhiệt độ rất thấp nhưng hữu hạn, thực sự có chế độ tính toán khó nhất”.

Tiến bộ với Sơ đồ Monte Carlo

Trạng thái trung gian đó chính xác là nơi mà pseudogap tồn tại. Để giải quyết chế độ đó, nhóm nghiên cứu đã áp dụng một thuật toán gọi là Sơ đồ Monte Carlo, được mô tả lần đầu tiên vào năm 1998. Thuật toán này đã được cải tiến vào năm 2017 bởi Riccardo Rossi, đồng tác giả của bài báo mới. Không giống như Monte Carlo lượng tử, một thuật toán hiệu quả và nổi tiếng sử dụng tính ngẫu nhiên để kiểm tra các khu vực nhỏ của mô hình tại một thời điểm và kết hợp các cuộc kiểm tra đó để đưa ra kết luận. Ở đây, Sơ đồ Monte Carlo xem xét các tương tác trên toàn bộ bàn cờ cùng một lúc.

Rossi, một nhà nghiên cứu tại CNRS và Đại học Sorbonne cho biết: "Cách tiếp cận của Sơ đồ Monte Carlo rất khác. Về nguyên tắc, chúng tôi có thể mô phỏng vô số hạt".

Hướng đi trong tương lai trong mô phỏng lượng tử và siêu dẫn

Được trang bị Sơ đồ Monte Carlo, nhóm nghiên cứu đã tìm ra điều gì xảy ra với vật liệu pseudogap khi chúng nguội dần đến 0 độ tuyệt đối. Từ nghiên cứu trước đây, họ biết rằng vật liệu có thể bắt đầu siêu dẫn hoặc chúng có thể phát triển 'sọc', trong đó các electron sắp xếp thành các hàng spin khớp nhau được ngăn cách bởi các hàng ô vuông trống.

Trạng thái nào mà mô hình Hubbard đi vào ở 0 độ tuyệt đối phụ thuộc vào số lượng electron. Khi mô hình bao gồm chính xác số electron bằng số ô vuông trên bàn cờ, toàn bộ bàn cờ trở thành một mô hình ổn định với các spin lên và xuống, khiến vật liệu trở thành chất cách điện (chất đối lập với chất dẫn điện). Việc thêm hoặc bớt electron có thể gây ra siêu dẫn và/hoặc sọc.

Ở nhiệt độ cao hơn, khi các electron vẫn di chuyển xung quanh, các nhà nghiên cứu biết rằng việc lấy đi electron gây ra pseudogap, nhưng họ không biết điều gì xảy ra khi vật liệu nguội đi.

Georges cho biết: "Người ta đã tranh luận liệu pseudogap có luôn tiến hóa thành trạng thái sọc hay không. Bài báo của chúng tôi trả lời câu hỏi nổi bật trong lĩnh vực này và khép lại tranh luận đó". Nghiên cứu cho thấy rằng, khi các vật liệu trong pseudogap nguội dần về 0 độ tuyệt đối, chúng thực sự phát triển các sọc. Georges cho biết thêm một điều thú vị là việc điều chỉnh mô hình Hubbard để cho phép các chuyển động chéo khiến pseudogap tiến hóa thành siêu dẫn khi nó nguội đi.

Ý nghĩa đối với các mô phỏng khí lượng tử

Bài báo cũng trả lời câu hỏi về nguyên nhân gây ra pseudogap, trong đó sự sắp xếp electron không còn đồng nhất như ở 0 độ tuyệt đối. Thay vào đó, sự sắp xếp eletron bao gồm một số vùng sọc, một số ô có hai electron, một số ô trống và một số mảng da báo trên bàn cờ. Các nhà nghiên cứu đã tìm ra rằng ngay khi các mảng bàn cờ đó xuất hiện trong sự sắp xếp electron, các vật liệu đã rơi vào pseudogap. Hai câu trả lời lớn này về pseudogap giúp giải mã thêm mô hình Hubbard.

Georges nói: "Ở cấp độ rộng hơn, toàn bộ điều này là một phần của nỗ lực chung của cộng đồng khoa học nhằm kết hợp các phương pháp tính toán với nhau để giải quyết những vấn đề khó khăn kiểu như vậy. Chúng ta đang sống trong thời đại mà cuối cùng những vấn đề này cũng được làm sáng tỏ".

Những kết quả này cũng sẽ có lợi cho các ứng dụng khác ngoài các phép tính số. Chẳng hạn giúp sáng tỏ mô phỏng khí lượng tử, một lĩnh vực 20 năm tuổi tại giao điểm của quang học lượng tử và vật lý vật chất ngưng tụ. Trong các thí nghiệm này, các nguyên tử được làm lạnh xuống nhiệt độ cực lạnh và sau đó bị giữ lại bằng tia laser thành một lưới tương tự như mô hình Hubbard. Với những phát triển mới trong quang học lượng tử, các nhà nghiên cứu hiện có thể hạ nhiệt độ xuống gần đến mức mà pseudogap hình thành, thống nhất lý thuyết và thực nghiệm.

Georges kết luận:"Bài báo của chúng tôi có tác động trực tiếp đến các mô phỏng khí lượng tử cực lạnh này. Các mô phỏng lượng tử này hiện đang trên ranh giới có thể nhìn thấy hiện tượng pseudogap. Vì vậy tôi đang mong đợi một số phát triển thực sự thú vị trong một hoặc hai năm tới".