Trong phòng thí nghiệm của Đại học Cornell, các nhà vật lý bất ngờ phát hiện ra rằng tính siêu dẫn trong selenua sắt FeSe không phụ thuộc vào số lượng electron, mà vào mức độ hoàn hảo của mạng tinh thể vật liệu. Kết luận này thay đổi quan niệm quen thuộc về các chất siêu dẫn nhiệt độ cao và mở ra một con đường mới để điều khiển chúng.
Thông thường, trong những vật liệu như vậy, các nhà khoa học thay đổi số lượng electron — gọi là pha tạp — để lọt vào «vòm» siêu dẫn, nơi vật liệu mất điện trở ở nhiệt độ tương đối cao. Tuy nhiên, ở FeSe, mọi thứ lại diễn ra khác. Các nhà nghiên cứu dưới sự dẫn dắt của Kyle Shen đã chỉ ra rằng đường cong của vòm này gắn bó chặt chẽ với sự tán xạ của electron trên các khuyết tật mạng tinh thể, chứ không phải với nồng độ hạt tải điện.
Hãy hình dung những con phố trong thành phố: nếu đường sá bằng phẳng và không có ổ gà, xe cộ chạy nhanh và không bị cản trở. Chỉ cần xuất hiện những ổ gà và chướng ngại vật — giao thông chậm lại, ngay cả khi số xe không tăng thêm. Trong tinh thể FeSe cũng vậy: các electron «vấp» phải những khiếm khuyết của mạng tinh thể, và chính điều đó quyết định khi nào vật liệu trở thành chất siêu dẫn.
Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Paul Malinowski, tác giả đầu tiên của công trình được công bố trên PNAS, giải thích: «Chúng tôi phát hiện ra rằng vòm trong vật liệu này được điều khiển hoàn toàn không phải bởi điều mà người ta đã quen. Không phải bởi số lượng electron bạn thêm vào, mà bởi những chướng ngại vật mà chúng gặp trên đường — mạng tinh thể hoàn hảo hay khiếm khuyết đến mức nào».
Các nhà thực nghiệm đã sử dụng một phương pháp mới để kiểm soát FeSe và đo xem điện trở thay đổi như thế nào ở các mức độ hỗn loạn khác nhau. Hóa ra mức hỗn loạn tối thiểu cho phép đạt được nhiệt độ siêu dẫn tối đa, trong khi việc chỉ thay đổi số lượng electron mang lại hiệu quả nhỏ hơn nhiều. Điều này phân biệt FeSe với phần lớn các chất siêu dẫn chứa sắt khác.
Phát hiện này không chỉ quan trọng đối với vật lý cơ bản. Việc hiểu rõ vai trò của hỗn loạn cấu trúc có thể giúp tạo ra những vật liệu ổn định và dễ điều khiển hơn cho các công nghệ tương lai — từ nam châm mạnh đến các thiết bị lượng tử. Mạng tinh thể càng sạch thì chúng ta càng tiến gần đến việc ứng dụng thực tiễn tính siêu dẫn nhiệt độ cao.
