Tại phòng thí nghiệm của Đại học Cornell, các nhà khoa học đã tình cờ bắt gặp một vật liệu hành xử như thể trong nó đồng thời tồn tại hai thế giới electron đối lập. Đó là graphene sáu lớp dạng thoi — sáu tấm carbon xếp lệch nhau theo một mẫu lặp lại. Thay vì nghiên cứu các lớp xoắn, các nhà nghiên cứu thu được một chồng phẳng, và chính nó đã mở ra những pha lượng tử bất ngờ.
Graphene từ lâu đã được biết đến với độ bền và độ dẫn điện, nhưng khi các lớp được xếp theo một cách nhất định, các electron bắt đầu tương tác với nhau mạnh hơn nhiều. Ở phiên bản sáu lớp, với một mật độ hạt tải điện và điện trường ngoài nhất định, xuất hiện một chế độ trong đó electron và lỗ trống cùng tồn tại và tương quan mạnh. Điều này giống như một đám đông người, nơi mỗi người đều ảnh hưởng đến chuyển động của người bên cạnh chứ không chỉ đi theo việc riêng của mình.
Các phép đo cho thấy điện trở biến mất — dấu hiệu của siêu dẫn — và hiệu ứng Hall dị thường, chỉ ra từ tính quỹ đạo. Hai trạng thái siêu dẫn xuất hiện đúng tại nơi electron và lỗ trống giao nhau. Dường như tương tác giữa chúng đóng vai trò then chốt trong việc hình thành các pha này, điều chưa từng được quan sát thấy trong graphene năm lớp.
Thiết bị được đặt giữa các lớp nitrua bo và được điều khiển bằng điện trường của cổng. Bằng cách thay đổi nhiệt độ, từ trường và nồng độ hạt tải, nhóm nghiên cứu đã dựng nên một giản đồ pha chi tiết. Trên đó có thể thấy rõ các chất cách điện do tương tác gây ra, các vùng siêu dẫn và hai kiểu từ tính quỹ đạo. Kết quả đã được công bố trên Nature Physics.
Phát hiện này không chỉ quan trọng đối với vật lý cơ bản. Việc hiểu được cách tương tác giữa electron và lỗ trống sinh ra siêu dẫn mà không cần các cơ chế truyền thống có thể đưa chúng ta đến gần hơn việc tạo ra những vật liệu hoạt động ở nhiệt độ cao hơn. Những vật liệu như vậy sẽ hữu ích trong máy tính lượng tử, các đường truyền tiết kiệm năng lượng và các cảm biến mới.
Hiện nay các nhà nghiên cứu đang đi sâu vào bản chất của từ tính quỹ đạo. Họ kiểm tra giả thuyết rằng một phần hạt tải tạo thành cấu trúc giống như tinh thể, còn phần còn lại vẫn ở trạng thái giống như chất lỏng. Những câu hỏi này vượt ra ngoài phạm vi công trình hiện tại, nhưng ngay lúc này đã rõ: graphene sáu lớp đã trở thành một bệ phóng mới để nghiên cứu các tương quan lượng tử.
Phát hiện tình cờ một lần nữa nhắc nhở rằng trong thế giới vật liệu hai chiều, chỉ cần thay đổi số lớp hoặc cách sắp xếp tương đối của chúng — và những tính chất quen thuộc sẽ biến thành một điều hoàn toàn mới.
