Graphene từ lâu được xem là một trong những vật liệu hai chiều giàu tiềm năng nhất nhờ độ dẫn điện cao, độ bền cơ học và những đặc tính điện tử đặc biệt. Tuy nhiên, khi nhiều lớp graphene được xếp chồng lên nhau theo những trật tự khác nhau, chúng có thể tạo ra các trạng thái vật chất hoàn toàn mới. Trong số đó, graphene xếp chồng hình thoi (rhombohedral graphene), với cấu trúc ABC, đặc biệt thu hút giới vật lý vì có thể xuất hiện các dải năng lượng phẳng, tương tác electron mạnh, siêu dẫn và nhiều trạng thái lượng tử topo.

Trở ngại lớn nhất là vật liệu này rất khó chế tạo với kích thước đủ lớn và độ tinh khiết cao. Nhóm nghiên cứu do Giáo sư Liu Kaihui tại Đại học Bắc Kinh dẫn đầu mới đây đã phát triển phương pháp tăng trưởng có kiểm soát, tạo graphene cấu trúc thoi với độ tinh khiết pha trên 99% và kích thước lớn hơn đáng kể so với trước. Công trình đăng trên Science ngày 23/7/2026 được đánh giá là bước tiến quan trọng trong việc đưa một vật liệu lượng tử vốn hiếm gặp từ những mảnh mẫu siêu nhỏ tới gần hơn với nghiên cứu thiết bị.

Khác biệt chỉ nằm ở cách xếp lớp nhưng làm thay đổi tính chất vật liệu

Graphene đơn lớp gồm các nguyên tử carbon sắp xếp theo mạng lục giác dày chỉ một nguyên tử. Khi nhiều lớp graphene chồng lên nhau, dạng phổ biến nhất là cấu trúc Bernal, thường ký hiệu AB hoặc ABAB. Trong đó, vị trí tương đối của lớp thứ ba lặp lại lớp đầu tiên.

Graphene hình thoi lại có trình tự ABCABC: mỗi lớp kế tiếp dịch chuyển theo cùng một hướng trước khi chu kỳ lặp lại. Thay đổi tưởng như rất nhỏ này làm biến đổi mạnh cấu trúc vùng năng lượng của vật liệu. Trong graphene ABC nhiều lớp, các trạng thái điện tử năng lượng thấp có thể tạo thành những vùng tương đối phẳng, khiến động năng của electron giảm và tương tác giữa chúng trở nên nổi bật hơn. Đây là điều kiện thuận lợi để xuất hiện các hiện tượng tập thể như từ tính, trạng thái Chern và siêu dẫn.

Năm 2021, các nhà nghiên cứu đã quan sát được siêu dẫn trong graphene ba lớp cấu trúc thoi. Đến năm 2025, một nghiên cứu trên Nature cho thấy graphene bốn lớp dạng này có thể đồng thời biểu hiện siêu dẫn điều khiển bằng điện trường và hiệu ứng Hall dị thường lượng tử; các phép đo còn cho thấy dấu hiệu của trạng thái chất cách điện Chern phân số tại từ trường bằng không. Những kết quả này khiến graphene ABC trở thành một trong những nền tảng đáng chú ý để nghiên cứu vật chất lượng tử tương quan và topo.

Vấn đề lớn nhất: vật liệu quá hiếm và không ổn định

Trong graphite tự nhiên, cấu trúc AB ổn định hơn về mặt nhiệt động lực học. Graphene ABC có xu hướng trượt giữa các lớp và chuyển sang cấu hình Bernal ổn định hơn. Vì vậy, sản xuất một vùng graphene hình thoi lớn, đồng nhất và không lẫn pha AB là thách thức kéo dài nhiều năm. Bài báo trên Science mô tả vấn đề này là sự kết hợp giữa tính “siêu bền giả” về nhiệt động lực học và bất ổn động học.

Trước đây, cách phổ biến để thu được vật liệu là bóc graphite bằng phương pháp cơ học, tương tự kỹ thuật dùng băng dính từng giúp tách graphene đơn lớp. Nhà nghiên cứu sau đó phải quan sát nhiều mảnh dưới kính hiển vi và xác định xem mảnh nào tình cờ có trình tự ABC. Theo Zhang Zhibin, đồng tác giả nghiên cứu, các mảnh có cấu trúc mong muốn chiếm chưa tới 1% mẫu thu được theo cách này.

Việc phụ thuộc vào những mảnh vật liệu ngẫu nhiên khiến các thí nghiệm khó lặp lại, hạn chế kích thước thiết bị và cản trở nghiên cứu có hệ thống về sự thay đổi tính chất khi tăng số lớp graphene.

Điều khiển sự trượt giữa các lớp bằng “bậc thang” tăng trưởng

Nhóm Đại học Bắc Kinh giải quyết vấn đề bằng chiến lược mà họ gọi là “step geometry-guided epitaxial growth” – được dẫn hướng bởi hình học bậc thang. Thay vì để các lớp graphene hình thành với vị trí tương đối ngẫu nhiên, nhóm sử dụng bề mặt tăng trưởng và lá hợp kim đồng-nickel (Cu-Ni) được thiết kế để định hướng sự trượt của các lớp trong quá trình hình thành vật liệu.

Mục tiêu cốt lõi là điều khiển mỗi lớp carbon mới dịch chuyển theo đúng hướng để tạo chuỗi ABC thay vì trở về cấu trúc AB ổn định hơn. Theo nghiên cứu, chiến lược này cho phép kiểm soát một cách xác định sự trượt giữa các lớp – yếu tố quyết định trình tự xếp chồng.

Kết quả, nhóm thu được graphene hình thoi có độ tinh khiết pha trên 99%, diện tích lớn nhất khoảng 160 × 80 micromet, trong khi độ dày có thể thay đổi từ khoảng 15 lớp đến khoảng 120 nanomet. Những mẫu này còn cho phép nhóm xây dựng bộ dữ liệu tham chiếu về phổ Raman và cấu trúc vùng năng lượng từ vật liệu vài lớp tới hệ gần 200 lớp.

Vì sao vật liệu này được liên hệ với máy tính lượng tử?

Sức hấp dẫn lớn nhất của graphene cấu trúc thoi không phải việc nó tự thân là một “chip lượng tử”, mà ở khả năng tạo ra những trạng thái điện tử tương quan và topo đặc biệt.

Một số dạng siêu dẫn topo được kỳ vọng có thể lưu trữ thông tin lượng tử theo cách ít nhạy cảm hơn với một số nhiễu cục bộ. Các trạng thái như Majorana hay dòng biên topo vì thế được nghiên cứu như nền tảng tiềm năng cho điện toán lượng tử chịu lỗi. Những thí nghiệm gần đây trên graphene hình thoi đã ghi nhận dấu hiệu siêu dẫn chiral và các trạng thái Hall topo, củng cố sự quan tâm đối với họ vật liệu này.

Tuy nhiên, cần thận trọng với cách diễn đạt rằng vật liệu mới đã “giải quyết bài toán nhiễu” của máy tính lượng tử. Công trình của Đại học Bắc Kinh tập trung vào sản xuất vật liệu, chưa chế tạo qubit, chưa chứng minh sửa lỗi lượng tử và cũng chưa xây dựng một bộ xử lý lượng tử dựa trên graphene. Giá trị của thành tựu nằm ở việc tạo ra nền tảng vật liệu đủ lớn và đồng nhất để những ý tưởng về trạng thái lượng tử topo có thể được kiểm chứng bằng thiết bị thực tế.

Ngoài công nghệ lượng tử, khả năng kiểm soát trình tự xếp lớp còn có ý nghĩa rộng hơn đối với vật liệu hai chiều. Liu Kaihui cho rằng phương pháp này tạo ra một hướng tiếp cận mới để “lập trình” thứ tự xếp lớp trong vật liệu lượng tử. Nếu mở rộng thành công, kỹ thuật có thể giúp tạo những vật liệu với tính chất điện, quang và lượng tử được thiết kế ngay từ cấu trúc nguyên tử.

Thành tựu của Đại học Bắc Kinh không nằm ở việc tạo ra một loại graphene hoàn toàn mới, mà ở khả năng sản xuất có kiểm soát một cấu trúc vốn cực kỳ hiếm và không ổn định. Việc đạt độ tinh khiết trên 99%, kích thước hàng trăm micromet và khả năng điều chỉnh độ dày đã biến graphene hình thoi từ một vật liệu thường chỉ xuất hiện trong những mảnh bóc tách nhỏ thành nền tảng có triển vọng cho nghiên cứu thiết bị lượng tử.

Chặng đường tới chip lượng tử thương mại vẫn còn dài. Các nhà nghiên cứu phải tiếp tục tăng kích thước vật liệu, ghép các miền tinh thể, kiểm soát khuyết tật và phát triển quy trình tích hợp với kiến trúc bán dẫn hiện nay. Tuy nhiên, khi vật liệu lượng tử có thể được chế tạo chủ động thay vì tìm kiếm ngẫu nhiên, một trong những rào cản cơ bản giữa vật lý lượng tử trong phòng thí nghiệm và công nghệ thực tế đã bắt đầu được thu hẹp.

P.T (theo South China Morning Post)