DẤU HIỆU CỦA NHỮNG XOÁY NƯỚC MANG ĐIỆN TRONG MỘT CHẤT LỎNG GỒM CÁC CẶP TRUNG HÒA

Trong một chất siêu lỏng, các hạt chuyển động cùng nhau như một sóng lượng tử duy nhất; một chất siêu dẫn loại II dẫn dòng điện mà không có điện trở. Cho chất thứ nhất quay, hoặc đặt chất thứ hai vào một từ trường, và cả hai đều thể hiện một đặc trưng tiêu biểu: một mạng xoáy lượng tử hóa (quantized vortices), những xoáy nước tí hon mà mỗi cái mang một lượng xoáy cố định, không thể chia nhỏ. Trong một chất lỏng làm từ exciton, một mạng như vậy vẫn nằm ngoài tầm với: exciton không mang điện tích.

Những cặp không mang gì cả

Một exciton là một electron liên kết với một lỗ trống, khoảng trống do một electron vắng mặt để lại. Khi được tạo ra bằng ánh sáng, exciton chỉ tồn tại trong thời gian ngắn, và vì trung hòa nên chúng khó thăm dò bằng điện. Giữ hai thành viên tách xa nhau, electron ở một lớp và lỗ trống ở lớp khác, giúp các cặp tồn tại lâu hơn nhiều và cho phép nối dây điện riêng cho từng lớp.

Khi được làm lạnh đủ sâu, những cặp như vậy ngưng tụ và chia sẻ một pha lượng tử duy nhất — một nhịp chung — trên toàn bộ chất lỏng, rất giống các cặp electron trong chất siêu dẫn. Đã có những dấu hiệu điện, nhưng, theo các tác giả, bằng chứng rõ ràng về tính kết hợp pha toàn cục này vẫn chưa nắm bắt được.

Điện tích dư sẽ đi về đâu

Điều mà một chất lỏng như vậy được kỳ vọng sẽ làm: trong một từ trường mạnh, hãy thêm vài electron, và điện tích của chúng sẽ tách thành các phần phân số nằm trong lõi của các xoáy và phản xoáy (vortices and antivortices), những xoáy nước trong pha chung quay theo hai chiều ngược nhau. Bình thường chúng triệt tiêu lẫn nhau. Ở đây, các lõi mang điện của chúng đẩy nhau, và năm 2025, hai trong số các tác giả, Bo Zou và Allan MacDonald thuộc Đại học Texas tại Austin, đã dự đoán rằng chúng sẽ khóa lại thành một cấu trúc tổ ong: các xoáy nằm ở một tập vị trí, với điện tích ở lớp trên, các phản xoáy nằm ở tập vị trí kia, ở lớp dưới.

Khác với các xoáy trong chất siêu dẫn, vốn mang từ thông, những xoáy này mang điện tích. Mỗi ô của cấu trúc tổ ong chứa đúng một điện tích nguyên tố, bằng điện tích của một electron. Vì vậy, càng thêm nhiều điện tích, các ô càng nhỏ: diện tích của chúng co lại tỷ lệ nghịch với lượng điện tích dư.

Hai tấm carbon và một cây kim

Ryan Lee, Jungwoo Lee, Viliam Vaňo và các đồng nghiệp trong nhóm của Ali Yazdani tại Đại học Princeton đã xếp chồng hai tấm graphene dày một nguyên tử cách nhau 3,2 nanomet — khoảng ba phần triệu milimet — với một lớp chắn bằng boron nitride lục giác từ Viện Quốc gia về Khoa học Vật liệu của Nhật Bản, dưới một từ trường 9 tesla (tesla là đơn vị đo cường độ từ trường). Ở đó, năng lượng của các electron dồn lại thành những bậc gọi là mức Landau (Landau levels). Hai điện áp quyết định mức độ lấp đầy của chúng: một điện áp, từ một cực cổng bên dưới các tấm, điều chỉnh tổng điện tích; điện áp kia chuyển điện tích giữa hai tấm. Khi hai tấm cộng lại lấp đầy một số nguyên các mức, mỗi tấm chỉ lấp đầy một phần, một electron ở tấm này bắt cặp với một lỗ trống ở tấm kia, tạo thành trạng thái ngưng tụ.

Nhóm nghiên cứu chụp ảnh nó bằng một kính hiển vi quét xuyên hầm (scanning tunnelling microscope) ở nhiệt độ 0,2 độ trên độ không tuyệt đối: các electron nhảy giữa một đầu mũi nhọn và tấm trên, và dòng điện phụ thuộc vào những gì nằm bên dưới, kể cả điện tích trong lõi các xoáy.

Một mạng siết chặt lại theo điện tích

Khi thêm hoặc bớt vài electron, các bản đồ dòng điện của những vùng không khuyết tật rộng khoảng 400 nanomet cho thấy các đốm sáng đều đặn. Một phép biến đổi Fourier, phép tính biến một hoa văn lặp lại thành những đỉnh nhọn, cho ra sáu đỉnh: một mạng có đối xứng bậc sáu.

Khi thêm electron, mạng trở nên dày đặc hơn, khoảng cách của nó giảm từ khoảng 135 nanomet lúc đầu xuống khoảng 60, gần với đường cong dự đoán. Nó chuyển từ thưa thớt sang trật tự rõ ràng, rồi tan chảy khi thêm nhiều electron hơn nữa. Các đốm tạo thành một hoa văn tam giác chứ không phải tổ ong: đầu mũi cảm nhận tấm trên, nơi các xoáy mang nhiều điện tích hơn các phản xoáy ở bên dưới.

Phép thử mà một tinh thể electron không vượt qua

Các electron đẩy nhau cũng có thể tự đông cứng thành một mạng, gọi là tinh thể Wigner (Wigner crystal). Một tinh thể như vậy ở tấm trên sẽ có khoảng cách chỉ do điện tích của tấm đó quyết định. Gần trạng thái ngưng tụ, điện tích đó hầu như không thay đổi, vì tấm dưới che chắn tấm trên khỏi cực cổng; vậy mà khoảng cách đo được vẫn thay đổi. Dưới mức lấp đầy dư 0,17 của một mức, dự đoán theo tinh thể Wigner rõ ràng không khớp với dữ liệu.

Phép thử quyết định: khoảng cách của mạng xoáy chỉ nên phụ thuộc vào tổng điện tích dư, chứ không phụ thuộc vào cách hai tấm chia sẻ nó, vì chỉ có tổng điện tích mới liên kết với pha chung. Nhóm giữ cố định tổng điện tích và chuyển điện tích giữa hai tấm, làm thay đổi độ lấp đầy của mỗi tấm tới 30%. Một tinh thể Wigner ở tấm trên sẽ khiến khoảng cách của nó dịch chuyển khoảng 20 nanomet. Khoảng cách đo được vẫn ở mức khoảng 60. Chỉ có độ tương phản của ảnh mờ dần, khi điện tích chuyển từ các xoáy ở tấm trên sang các phản xoáy ở tấm dưới, mà không làm chúng di chuyển.

Gần mức lấp đầy dư 0,17, tấm dưới ngừng nhận điện tích và toàn bộ electron dư nằm ở tấm trên. Ở đó, khoảng cách hội tụ về khoảng cách của một tinh thể Wigner thông thường ở tấm trên: đúng sự chuyển pha mà lý thuyết đã tiên liệu.

Lỗ trống vẽ nên cùng một hoa văn, nhưng đảo ngược

Bớt electron đi thay vì thêm vào cũng tạo ra cùng một loại mạng, thậm chí còn trật tự hơn, có lẽ vì vùng đó chứa ít mất trật tự hơn. Độ tương phản của nó bị đảo ngược, đúng như kỳ vọng nếu điện tích trong các lõi đổi dấu, và khoảng cách của nó một lần nữa chỉ tuân theo tổng điện tích dư.

Một bức ảnh 400 nanomet có thể nói lên điều gì

Trong một chất siêu dẫn, một mạng xoáy trải khắp một bức ảnh cho thấy chất lỏng giữ được pha của nó trên ít nhất khoảng cách đó. Ở đây, mạng lấp đầy trường nhìn đặt ra một cận dưới khoảng 400 nanomet cho tầm vươn của tính kết hợp pha trong trạng thái ngưng tụ. Hơn nữa, độ lấp đầy của mỗi tấm được tính từ hai điện áp bằng một mô hình tĩnh điện chứ không được đo trực tiếp.

Nhóm nghiên cứu trình bày các bức ảnh của mình như là bằng chứng, đúng như từ trong tiêu đề, cho mạng đã được dự đoán và cho tính kết hợp pha trong một chất siêu lỏng exciton. Giờ đây, cùng chiếc kính hiển vi đó có thể theo dõi những xoáy nước này khi chúng di chuyển, mắc vào khuyết tật và tan chảy, trong một chất siêu lỏng chỉ được tạo thành từ electron.