Các nhà vật lý từ Đại học Jyväskylä và Đại học Aalto ở Phần Lan đã tạo ra một chất cách điện tinh thể tôpô hai chiều — vật liệu mà các nhà khoa học hằng mơ ước suốt hơn mười năm. Họ đã nuôi cấy một màng mỏng cỡ nguyên tử gồm hai lớp telurua thiếc (SnTe) trên một đế diselenua niobi (NbSe₂). Đây là lần đầu tiên cấu trúc được dự đoán này được hiện thực hóa bằng thực nghiệm, và nó mở ra con đường dẫn tới các thiết bị lượng tử hoạt động ở nhiệt độ phòng.
Chìa khóa thành công nằm ở ứng suất sinh ra do đế nén màng. Chính nó ổn định trạng thái tôpô. Trong vật liệu xuất hiện các cặp trạng thái biên dẫn điện, được bảo vệ bởi tính đối xứng của mạng tinh thể. Các electron chuyển động dọc theo các biên mà không bị mất mát, còn bên trong vẫn tồn tại một vùng cấm rộng lớn với độ rộng hơn 0,2 electron-vôn.
Các nhà nghiên cứu đã sử dụng phương pháp epitaxy chùm phân tử và kính hiển vi quét xuyên hầm ở nhiệt độ thấp để nhìn thấy những trạng thái này với độ chính xác tới từng nguyên tử. Các tính toán cơ học lượng tử đã xác nhận nguồn gốc tôpô của chúng. Đồng thời, các trạng thái biên có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi biến dạng — điều này mang lại một cách thức thực tiễn để điều khiển các tính chất điện tử.
Độ rộng lớn của vùng cấm cho phép hy vọng rằng các tính chất tôpô sẽ được duy trì ngay cả ở nhiệt độ phòng. Vật liệu này có thể trở thành nền tảng cho spintronics và các thiết bị nano của tương lai, nơi các hiệu ứng lượng tử hoạt động mà không cần làm lạnh đông sâu.
Các trạng thái biên lân cận tương tác với nhau thông qua lực tĩnh điện và hiệu ứng xuyên hầm lượng tử, điều này cũng đã được nghiên cứu. Nhóm do phó giáo sư Kezilbeyek Shavulienu đứng đầu, phối hợp với các giáo sư Peter Liljeroth và Jose Lado, đã công bố kết quả trên tạp chí Nature Communications.
Giờ đây các nhà vật lý đã có một mẫu vật thực tế có thể biến dạng và điều chỉnh — một bước tiến tới nền điện tử lượng tử, thứ mà một ngày nào đó sẽ xuất hiện trong các thiết bị của chúng ta.
