Trong phòng thí nghiệm của Đại học Chicago, các nhà khoa học đã phát hiện ra hành vi bất ngờ của electron trong vật liệu từ tính dạng lớp Fe₅GeTe₂: hàng triệu hạt chuyển động cùng nhau cực kỳ chậm, nhưng đồng thời vẫn giữ được tính kết hợp lượng tử. Hiện tượng này mâu thuẫn với các mô hình lý thuyết hiện có và mở ra con đường dẫn đến những loại thiết bị lưu trữ mới.
Vật liệu Fe₅GeTe₂ thuộc họ nam châm van der Waals, có thể được chế tạo dưới dạng các lớp mỏng cỡ nguyên tử. Các nhà nghiên cứu dưới sự lãnh đạo của giáo sư Shuolong Yang đã sử dụng phương pháp quang phổ quang điện tử phân giải theo góc. Họ chiếu mẫu bằng laser tử ngoại trên một vùng chỉ rộng 10 micromet và nhìn thấy một vùng electron phẳng — dấu hiệu cho thấy electron gần như không tăng tốc khi di chuyển qua vật liệu.
Trong điều kiện thông thường, electron trong vật dẫn hành xử giống như nước lao nhanh xuống một sườn dốc. Ở đây thì sườn dốc gần như nằm ngang: các hạt di chuyển chậm hơn hàng nghìn lần, nhưng lại hành động một cách phối hợp, như một tập hợp lượng tử thống nhất. «Chúng tôi không đo một electron đơn lẻ, mà đo tương tác của hàng nghìn hay hàng triệu electron, và tất cả chúng đều chuyển động một cách kết hợp», — Yang giải thích.
Hành vi như vậy vẫn được duy trì đến nhiệt độ 100 kelvin trên độ không tuyệt đối — một chỉ số tương đối cao đối với các hiệu ứng lượng tử. Điều này khiến vật liệu trở nên đầy triển vọng cho các ứng dụng thực tiễn, mặc dù còn xa mới đạt tới nhiệt độ phòng. Các nhà khoa học đang kiểm tra khả năng chuyển đổi trạng thái bằng laser, điều có thể trở thành nền tảng cho thế hệ bộ nhớ không bay hơi mới.
Phát hiện này buộc phải xem xét lại quan niệm về các tương tác từ tính bên trong Fe₅GeTe₂. Các nhà lý thuyết giờ đây phải mô tả lại cấu trúc từ tính của chất này được hình thành như thế nào. Đồng thời, các nhà thực nghiệm dự định kiểm tra các tính chất trong một lớp đơn nguyên tử — chính ở dạng này vật liệu có thể tìm được ứng dụng trong các thiết bị lượng tử tương lai.
Công trình được dành để tưởng nhớ nhà lý thuyết xuất sắc Peter Littlewood, người đã có đóng góp lớn cho nghiên cứu vật liệu lượng tử. Kết quả của nó đã được công bố trên Science Advances và đã thu hút sự quan tâm của các chuyên gia về nam châm hai chiều.
