Siêu dẫn là khả năng của một vật liệu dẫn điện mà không bị mất năng lượng dưới dạng nhiệt. Đặc tính này hỗ trợ các thiết bị điện tử siêu nhanh, hiệu quả cao, được sử dụng trong các công nghệ như chụp cộng hưởng từ (MRI), máy gia tốc hạt và có thể cả máy tính lượng tử.

Theo một nghiên cứu mới, sắt telluride (FeTe), tạo thành từ sắt và tellurium, từ lâu được coi là kim loại từ tính đơn giản, thực chất là một chất siêu dẫn. Các nhà nghiên cứu phát hiện, các nguyên tử sắt dư thừa ẩn bên trong, đã tạo ra từ tính của vật liệu. Khi loại bỏ các nguyên tử sắt dư thừa đó, điện có thể di chuyển qua vật liệu mà không gặp điện trở nào.

Các phát hiện này được trình bày trong hai bài báo xuất bản trên tạp chí Nature. Bài báo đầu tiên giải thích cách kích hoạt tính siêu dẫn trong FeTe. Bài báo thứ hai mô tả loại “điệu nhảy lượng tử” mới, trong đó tính siêu dẫn tương tác với cấu trúc nguyên tử của vật liệu khi thêm lớp phủ khác ở trên cùng, cho phép các nhà khoa học điều chỉnh các đặc tính của nó.

Không giống như chất siêu dẫn gốc sắt nổi tiếng là sắt selenide (FeSe), FeTe từ lâu được coi là kim loại từ tính không có tính siêu dẫn, mặc dù chúng có cấu trúc tinh thể gần giống hệt nhau. Tại sao FeTe lại không có đặc tính quan trọng này vẫn là một bí ẩn, nhà vật lý Cui-Zu Chang của Đại học Penn State Chang cho hay.

Để nghiên cứu sự khác biệt này, các nhà nghiên cứu tạo ra các màng mỏng FeTe bằng phương pháp epitaxy chùm phân tử. Phương pháp này tạo ra các vật liệu cực kỳ sạch, mỏng ở cấp độ nguyên tử, bằng cách lắng đọng từ từ các nguyên tố nguồn lên một bề mặt thích hợp.

Khi nhóm nghiên cứu kiểm tra các mẫu ở cấp độ nguyên tử bằng kính hiển vi quét đường hầm, họ phát hiện cấu trúc không hoàn toàn đồng nhất. Các nguyên tử sắt được bổ sung vào trong mạng tinh thể FeTe. Các nguyên tử sắt dư thừa này phá vỡ tỉ lệ lý tưởng 1:1 giữa các nguyên tử sắt và tellurium trong FeTe, làm mất cân bằng từ tính và siêu dẫn. Nhóm nghiên cứu đưa ra giả thuyết, việc loại bỏ các nguyên tử sắt dư thừa để tạo ra FeTe tinh khiết, có thể dẫn đến một chất siêu dẫn.

Để kiểm chứng ý tưởng này, các nhà nghiên cứu phát triển một phương pháp kiểm soát độ tinh khiết của vật liệu, bằng cách cho màng FeTe tiếp xúc với hơi tellurium. Quá trình này giúp bù đắp lượng sắt dư thừa và đưa vật liệu tiến gần hơn đến thành phần lý tưởng của nó.

FeTe lý tưởng thu được thể hiện tính siêu dẫn với nhiệt độ tới hạn khoảng 13,5 Kelvin (khoảng -435 0F hay -265 0C), Cui-Zu Chang cho biết. Các nguyên tử sắt dư thừa đã che giấu tính siêu dẫn của nó, dẫn đến quan điểm tồn tại hàng thập kỷ rằng FeTe là kim loại từ tính thông thường. Phát hiện của nhóm nghiên cứu đã định nghĩa lại loại hợp chất chứa sắt này.

Trong nghiên cứu thứ hai, sau khi xác nhận FeTe vốn là chất siêu dẫn, nhóm nghiên cứu tìm hiểu cách kiểm soát hành vi siêu dẫn của nó. Họ xây dựng cấu trúc nhiều lớp bằng cách đặt một vật liệu mỏng có mạng tinh thể khác lên trên FeTe. Do hai vật liệu này có sự sắp xếp nguyên tử khác nhau, chúng tạo thành mô hình lặp lại lớn hơn ở ranh giới của chúng, gọi là siêu mạng moiré.

Sử dụng kính hiển vi quét đường hầm, cho phép chụp ảnh ở cấp độ nguyên tử, nhóm nghiên cứu quan sát thấy hiện tượng siêu dẫn xuất hiện dưới dạng mô hình lặp lại, giống như giọt nước, tuân theo cấu trúc siêu mạng moiré, được các nhà nghiên cứu mô tả là “điệu nhảy lượng tử”. Họ cũng phát hiện, mô hình này có thể điều chỉnh bằng cách thay đổi vật liệu sử dụng ở lớp trên cùng.

Cui-Zu Chang cho biết, vai trò của mạng tinh thể thường bị bỏ qua trong các chất siêu dẫn. Phát hiện của nhóm nghiên cứu khuyến khích tập trung trở lại vào sự tương tác giữa tính siêu dẫn và cấu trúc mạng tinh thể, đồng thời nhấn mạnh cách kỹ thuật giao diện moiré có thể đóng vai trò là công cụ mạnh mẽ để điều chỉnh tính siêu dẫn và thiết kế vật liệu lượng tử thế hệ tiếp theo.