Gần 5 thập kỉ sau lần đầu tiên được đề xuất, các nhà vật lý cuối cùng đã xác nhận sự tồn tại của một dạng vật chất mới gọi là “excitonium”. Khám phá này đã được công bố trên tạp chí Science.
Bản chất của excitonium chính là đỉnh cao của sự hiểu biết của chúng ta về vật lý. Nó là một chất kết tụ, một vật chất mà các tính chất cơ học lượng tử là vĩ mô (nhìn thấy bằng mắt thường) chứ không phải là vi mô. Một số chất kết tụ mà chúng ta biết đến gồm có các chất siêu dẫn và các chất siêu lỏng.
Để hiểu được loại excitonium được tạo ra từ gì chúng ta cần phải tiến nhập một bước vào ngành vật lý chất rắn. Nếu đầu tiên chúng ta bắt đầu với một vật chất mà tất cả các nguyên tử được phân bố trong một mạng tinh thể, bằng cách loại bỏ một điện tử (electron), nó có thể tạo ra cái gọi là “lỗ electron” nằm ở vị trí trước đó của electron. Lỗ này không phải là một hạt thực sự nhưng nó hoạt động giống như một hạt (nó là một lượng tử năng lượng – quasiparticle). Và mặc dù điều đó có vẻ kỳ quặc đối với chúng ta, nhưng điều này lại là có giá trị cho vật lý học.
Lỗ này được tích điện dương và điện tử được tích điện âm, vì vậy có thể tạo ra một trạng thái ràng buộc giữa chúng với điện tử quay quanh lỗ chứ không rơi trở lại. Trạng thái bị ràng buộc này là exciton – đơn thể của excitonium.
Việc xác nhận sự tồn tại của exciton đã gặp nhiều khó khăn do một hiện tượng khác, mặc dù không liên quan, được biết đến như là pha Peierls, nó có chung một số đặc điểm có thể quan sát được với lượng tử năng lượng (quasiparticle). Nhóm Abbamonte và các đồng nghiệp từ Đại học Oxford và Đại học Amsterdam đã phát triển một kỹ thuật mới cho phép họ có thể xác nhận rằng hiện tượng quan sát được này chính là một exciton.
Kỹ thuật này được gọi là momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy (q-EELS) có thể được sử dụng để theo dõi động lượng của các electron với độ chính xác cao. Bằng cách sử dụng phương pháp tiếp cận này, nhóm nghiên cứu đã chứng kiến lần đầu tiên một pha Soft Plasmon mà vật chất đạt đến nhiệt độ tới 190 Kelvin (-83 độ C, -117 độ F). Soft Plasmon là tiền thân được chờ đợi của exciton, và do đó nó xuất hiện để xác nhận sự tồn tại của nó.
Giáo sư Peter Abbamonte của Đại học Illinois Urbana cho biết: “Kết quả này mang một ý nghĩa tầm cỡ vũ trụ. Từ khi thuật ngữ ‘excitonium’ được đặt ra từ những năm 60 của nhà vật lý lý thuyết Bert Halperin tại đại học Havard, các nhà vật lý đã tìm cách chứng minh sự tồn tại của nó “.
“Các nhà lý luận đã tranh cãi liệu nó có phải là chất cách điện, một dây dẫn hoàn hảo hay một chất siêu lỏng – với một số luận cứ thuyết phục ở mọi khía cạnh”, ông nói tiếp. “Từ những năm 1970, nhiều nhà thực nghiệm đã công bố bằng chứng về sự tồn tại của excitonium, nhưng đó không phải là những bằng chứng cuối cùng và có thể được giải thích bằng chuyển pha cấu trúc thông thường.”
Trong khi những chất kết tụ khác đã tìm ra ứng dụng trên thế giới, vẫn còn quá sớm để mong đợi những công nghệ làm từ excitonium. Nhưng sự hiểu biết về vật chất mới này có thể dẫn đến việc mở ra nhiều cánh cửa mới của ngành cơ học lượng tử.
Nguồn: ĐKN