Quantum materials (vật liệu lượng tử) là những vật liệu mà các hiệu ứng lượng tử đóng vai trò chi phối trực tiếp các tính chất vĩ mô (điện, từ, quang, nhiệt…), khiến chúng hành xử rất khác so với vật liệu thông thường.
.jpg)
Điều gì làm một vật liệu trở thành “lượng tử”?
Ba yếu tố cốt lõi thường cùng xuất hiện:
- Tương quan mạnh giữa electron (strong correlations): electron không “đi độc lập” mà ảnh hưởng lẫn nhau mạnh mẽ.
- Tôpô lượng tử: cấu trúc trạng thái điện tử có tính “bền vững tôpô”, tạo các trạng thái bề mặt/biên đặc biệt.
- Giao thoa & vướng víu lượng tử tập thể: hành vi sóng–xác suất của electron tạo ra pha vật chất mới.
Ví dụ tiêu biểu về quantum materials
- Chất siêu dẫn (đặc biệt là siêu dẫn nhiệt độ cao): dòng điện chạy không điện trở.
Siêu dẫn (Superconductors) là vật liệu cho phép dòng điện chạy mà không bị mất năng lượng (điện trở bằng 0) khi ở điều kiện thích hợp.
- Chất cách điện tôpô: bên trong cách điện, bề mặt dẫn điện rất ổn định.
Vật liệu tôpô (Topological materials) là vật liệu có bên trong cách điện, nhưng bề mặt hoặc biên luôn dẫn điện, và khả năng dẫn này rất bền, khó bị phá hỏng.
- Quantum spin liquids: trật tự từ “lạ”, spin không đóng băng ngay cả ở nhiệt độ rất thấp.
Quantum Spin Liquid (chất lỏng spin lượng tử) là vật liệu mà spin của electron không chịu đứng yên theo trật tự, kể cả ở nhiệt độ cực thấp.
- Vật liệu electron tương quan mạnh (Mott insulators): dự đoán kim loại nhưng lại cách điện vì tương tác electron.
Mott insulators (chất cách điện Mott) là những vật liệu mà theo lý thuyết đơn giản thì đáng lẽ phải dẫn điện, nhưng trên thực tế lại cách điện, vì electron tương tác (đẩy nhau) quá mạnh.
Vì sao quantum materials quan trọng?
Quantum materials quan trọng vì chúng thể hiện những tính chất vật chất hoàn toàn mới do hiệu ứng lượng tử chi phối, như siêu dẫn không điện trở, dẫn điện bền vững ở bề mặt, hay tương quan electron mạnh. Những đặc tính này mở đường cho công nghệ thế hệ mới: truyền tải năng lượng hiệu quả, điện tử ít tỏa nhiệt, spintronics và máy tính lượng tử. Đồng thời, quantum materials giúp con người hiểu sâu hơn các quy luật cơ bản của tự nhiên, khám phá các pha vật chất mới mà vật liệu thông thường không có. Vì vậy, chúng vừa có giá trị khoa học nền tảng, vừa mang ý nghĩa chiến lược về công nghệ và kinh tế.
Quantum materials trong thực tiễn
Hiện nay, quantum materials đã được tìm thấy và xác nhận rõ ràng trong thực tế, không còn chỉ là khái niệm lý thuyết. Nhiều vật liệu siêu dẫn, đặc biệt là siêu dẫn nhiệt độ cao, đã được ứng dụng trong thiết bị y sinh, nam châm mạnh và nghiên cứu qubit. Vật liệu tôpô đã được quan sát với trạng thái bề mặt dẫn điện bền vững và đang được thử nghiệm trong linh kiện điện tử thế hệ mới. Bên cạnh đó, các Mott insulators và quantum spin liquids đã được phát hiện như những hệ vật liệu đặc biệt, đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu tương quan electron mạnh và phát triển công nghệ lượng tử trong tương lai.
Tài liệu tham khảo và đọc thêm
- https://www.physics.ox.ac.uk/research/theme/quantum-materials
- https://www.energyfrontier.us/content/what-are-quantum-materials
- https://cifar.ca/research-programs/quantum-materials/
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét