CHLB ĐỨC – Graphene là một vật liệu đặc biệt, đó là một tấm các nguyên tử carbon liên kết với nhau với độ dày chỉ một nguyên tử, ổn định và dẫn điện rất tốt. Điều này làm cho nó hữu ích trong nhiều lĩnh vực, như màn hình điện tử dẻo, cảm biến có độ chính xác cao, pin mạnh và pin năng lượng mặt trời hiệu suất cao. Một nghiên cứu mới do Đại học Göttingen (University of Göttingen) dẫn đầu, hợp tác với các đồng nghiệp từ thành phố Braunschweig thuộc bang Niedersachsen và thành phố Bremen ở phía tây bắc CHLB Đức, và thành phố Fribourg ở phía tây Thụy Sĩ, đã mở ra những khả năng ứng dụng vượt trội hơn trước.

Hình ảnh hiệu ứng Floquet trong vật liệu graphene theo hình dung của nghệ sĩ Lina Segerer. Bức ảnh mang tên ‘Dirac Cones I’, thể hiện cấu trúc điện tử ba chiều của graphene và các bản sao của chúng được tạo ra bởi ánh sáng

Các nhà nghiên cứu đã trực tiếp quan sát thấy ‘Floquet effects’ (*) (tạm dịch là ‘hiệu ứng Floquet’) trong vật liệu graphene, qua đó giải quyết một cuộc tranh luận kéo dài: kỹ thuật Floquet, một phương pháp thay đổi các đặc tính của vật liệu rất chính xác bằng cách sử dụng các xung ánh sáng, cũng hoạt động trong các vật liệu lượng tử mang tính kim loại hoặc bán kim loại như vật liệu graphene. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Physics.
(*) Floquet effects: hiện tượng vật lý xảy ra khi một hệ lượng tử hoặc vật liệu được tác động bởi một trường dao động tuần hoàn theo thời gian, chẳng hạn như ánh sáng laser có tần số cố định. Dưới tác động này, các trạng thái năng lượng của vật liệu thay đổi tạm thời, tạo ra những đặc tính điện tử mới mà vật liệu ở trạng thái tĩnh không có.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi xung lượng femto giây (femtosecond momentum microscopy) để quan sát trực tiếp các trạng thái Floquet trong vật liệu graphene. Trong kỹ thuật này, các mẫu vật liệu graphene đầu tiên được kích thích bằng các xung ánh sáng nhấp nháy cực nhanh, sau đó các mẫu được kiểm tra bằng một xung ánh sáng thứ hai có độ trễ để theo dõi các quá trình động lực học của các electron và trạng thái lượng tử trong vật liệu.

Tiến sĩ Marco Merboldt, nhà vật lý tại đại học Göttingen và là tác giả đầu tiên của nghiên cứu, chia sẻ: “Các phép đo của chúng tôi chứng minh rõ ràng rằng ‘hiệu ứng Floquet’ xảy ra trong quang phổ phát xạ (photoemission spectrum) (*) của vật liệu graphene. Điều này chứng minh rằng kỹ thuật Floquet thực sự hoạt động trong các hệ thống vật liệu này, và tiềm năng của khám phá này là rất lớn.”
(*) Phổ quang phát xạ: là “dấu vân tay” năng lượng của các electron trong vật liệu, tức phổ năng lượng của các electron được phát ra từ một vật liệu khi bị chiếu bởi ánh sáng có năng lượng đủ lớn (ví dụ tia X).

Nghiên cứu này đã chứng minh kỹ thuật Floquet hoạt động hiệu quả không chỉ trong vật liệu graphene mà còn trong nhiều loại vật liệu khác. Điều này là một bước tiến quan trọng giúp giới khoa học đạt được mục tiêu chế tạo các vật liệu lượng tử có đặc tính hoàn toàn mới theo yêu cầu cụ thể. Và quá trình điều chỉnh các vật liệu này được thực hiện bằng các xung laser với tốc độ cực nhanh.

Việc điều chỉnh vật liệu theo cách này cho các ứng dụng cụ thể có thể tạo nền tảng cho công nghệ điện tử, máy tính và cảm biến trong tương lai. Giáo sư Marcel Reutzel, người dẫn đầu nghiên cứu tại đại học Göttingen cùng với Giáo sư Stefan Mathias, chia sẻ: “Kết quả nghiên cứu của chúng tôi đã giúp mở ra những phương pháp mới để kiểm soát trạng thái điện tử trong vật liệu lượng tử bằng ánh sáng. Điều này có thể dẫn đến các công nghệ mà trong đó các electron được điều khiển một cách có chủ đích và có kiểm soát.”

Giáo sư Reutzel nói tiếp: “Đặc biệt điều này cũng cho phép chúng tôi nghiên cứu các đặc tính tôpô (topological properties) (*). Đây là những đặc tính đặc biệt, rất ổn định, có tiềm năng to lớn để phát triển máy tính lượng tử đáng tin cậy hoặc các cảm biến mới trong tương lai.”
(*) Tính chất tô-pô: là một khái niệm cốt lõi trong vật lý lượng tử hiện đại. Tô-pô là một nhánh của toán học và vật lý học nghiên cứu các tính chất của vật thể được bảo toàn ngay cả khi vật thể đó bị biến dạng liên tục (như kéo giãn hoặc uốn cong). Trong vật liệu lượng tử, tính chất tô-pô được thể hiện qua các trạng thái điện tử tồn tại ở bề mặt hoặc cạnh của vật liệu, và chúng được bảo vệ một cách tự nhiên khỏi nhiễu loạn hoặc tác động từ môi trường bên ngoài. Đặc biệt, rất ổn định. Sự ổn định này là do chúng được bảo vệ bởi các nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử.

Để xem các tin bài khác về “Graphene”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online