Một nhóm nghiên cứu quốc tế do phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (Phòng thí nghiệm Berkeley) đứng đầu đã chụp được những hình ảnh có độ phân giải nguyên tử đầu tiên và chứng minh được khả năng kiểm soát điện của trạng thái giao diện bất đối xứng (chiral interface state) - hiện tượng lượng tử kỳ lạ có thể giúp các nhà nghiên cứu cải tiến điện toán lượng tử và điện tử tiết kiệm năng lượng.

Trạng thái giao diện bất đối xứng là một kênh dẫn điện cho phép các electron chỉ di chuyển theo một hướng, ngăn chặn chúng phân tán ngược, tạo ra các điện trở làm lãng phí năng lượng. Mặc dù, các nhà nghiên cứu rất nỗ lực để có thể hiểu rõ hơn các đặc tính của trạng thái này trong các loại vật liệu thực tế nhưng để hình dung ra các đặc điểm không gian của chúng là việc cực kỳ khó khăn đối với họ.

Những hình ảnh có độ phân giải cấp nguyên tử do nhóm nghiên cứu Phòng thí nghiệm Berkeley và UC Berkeley chụp đã giúp các nhà khoa học có thể trực tiếp hình dung được trạng thái giao diện bất đối này. Các nhà nghiên cứu cũng chứng minh được khả năng tạo ra các kênh dẫn điện không điện trở này trong chất cách điện 2D theo yêu cầu.

Công trình nghiên cứu đã được đăng trên tạp chí Nature Physics. Đây là một phần trong nỗ lực thúc đẩy điện toán lượng tử và các ứng dụng hệ thống thông tin lượng tử khác bao gồm cả thiết kế và tổng hợp vật liệu lượng tử để giải quyết các nhu cầu công nghệ cấp bách.

Các trạng thái giao diện bất đối xứng có thể xảy ra ở một số loại vật liệu 2D nhất định. Nó có tên là chất cách điện dị thường lượng tử Hall (quantum anomalous Hall). Để xem xét các trạng thái giao diện bất đối xứng này, tại Xưởng đúc phân tử của Phòng thí nghiệm Berkeley, nhóm nghiên cứu đã nghiên cứu chế tạo ra một thiết bị có cấu trúc twisted monolayer-bilayer graphene (tMBG) có thể tạo ra một siêu mạng moiré để có thể biểu hiện được các hiệu ứng QAH. 

Trong các thí nghiệm tiếp theo, tại Khoa Vật lý UC Berkeley, các nhà nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi quét đường hầm (STM) để phát hiện thêm các trạng thái điện tử khác nhau trong mẫu, cho phép họ hình dung được hàm sóng (wavefunction) của trạng thái giao diện bất đối xứng này. Các thí nghiệm khác cho thấy trạng thái giao diện bất đối xứng này có thể di chuyển được trên khắp mẫu khi thực hiện điều chỉnh điện áp trên một điện cực cổng (gate electrode) đặt ở bên dưới các lớp graphene.

Trong lần trình diễn cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng xung điện áp từ đầu dò STM có thể “ghi” lại trạng thái giao diện bất đối xứng vào các mẫu hoặc xóa nó và thậm chí có thể tạo lại một trạng thái mới trong đó các electron di chuyển theo hướng ngược lại.

Những phát hiện này có thể giúp các nhà nghiên cứu tạo ra mạng lưới kênh điện tử đầy hứa hẹn cho các thiết bị vi điện tử tiết kiệm năng lượng và các thiết bị bộ nhớ sử dụng năng lượng thấp trong tương lai, cũng như cho các thiết bị tính toán lượng tử sử dụng các hành vi kỳ lạ của điện tử trong chất cách điện QAH. Các nhà nghiên cứu dự định sẽ sử dụng kỹ thuật này để nghiên cứu các hiện tượng vật lý kỳ lạ hơn trong các vật liệu liên quan khác để có thể mở ra con đường dẫn đến lĩnh vực tính toán lượng tử mới.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org 4/2024