Nếu gần đây bạn đã đọc bất kỳ câu chuyện nào về nghiên cứu lượng tử trên tờ Columbia News hoặc nơi khác, bạn có thể đã nghe đến thuật ngữ này. Vật liệu 2D hoặc hai chiều.
Hình minh họa cấu trúc nguyên tử của graphene, một dạng carbon 2D siêu bền.
Vào tháng 1, các nhà hóa học ở Columbia đã công bố một nghiên cứu về chất đầu tiên Fermion nặng 2D, một loại vật liệu có các electron rất nặng. Vào tháng 11, trường Kỹ thuật đã xuất bản một câu chuyện về “Điều khiển bằng tia laser trên vật liệu 2D.” Và đầu năm ngoái, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy cả tính siêu dẫn và sắt điện trong cùng một vật liệu 2D. Danh sách cứ kéo dài.
Vậy vật liệu 2D là gì và tại sao các nhà khoa học lại quan tâm đến vậy?
Vật liệu hai chiều đúng như tên gọi của chúng: Vật liệu chỉ dày 1 hoặc 2 nguyên tử nhưng rộng hơn theo mọi hướng khác. Thông thường, các vật liệu 2D mà các nhà khoa học đang nghiên cứu có kích thước lớn vài micromet vuông – không thể nhìn thấy bằng mắt thường nhưng có thể nhìn thấy bằng loại kính hiển vi mà bạn có thể đã sử dụng trong các lớp khoa học ở trường trung học. Các vật liệu 2D mà các nhà khoa học đang nghiên cứu là sự kết hợp của các vật liệu tự nhiên, như graphene, một dạng carbon cực mạnh được phát hiện tại Columbia năm 2004, và các vật liệu được tổng hợp trong phòng thí nghiệm, như CeSil, một tinh thể được lắp ráp lần đầu tiên tại Columbia vào năm ngoái, bao gồm xeri, silicon và iốt. Những vật liệu này thường bắt đầu ở dạng ba chiều và các nhà khoa học bóc chúng thành hai chiều để tiến hành thí nghiệm trên chúng và tìm ra những đặc tính vật lý, như siêu dẫn or từ tính, có thể xuất hiện khi vật liệu có dạng nguyên tử phẳng. Các nhà khoa học đang nỗ lực phát triển những cách mới để tạo ra vật liệu 2D từ đầu mà không cần phải tách chúng ra khỏi 3D, nhưng chất lượng của những vật liệu này vẫn chưa hoàn hảo.
Nhiều thứ làm cho vật liệu 2D trở nên thú vị nhưng điều cơ bản nhất là chúng hạn chế cách mà các hạt như electron có thể di chuyển bên trong chúng. Nhà hóa học Columbia Xavier Roy đã sử dụng sự tương tự về giao thông để giải thích:
“Hãy nghĩ thế này: Nếu chúng ta có ô tô bay có thể di chuyển trong không gian ba chiều, chúng ta sẽ có thể giảm phần lớn lưu lượng giao thông ở New York. Nhưng vì những chiếc ô tô hiện tại của chúng tôi chỉ có thể di chuyển theo không gian hai chiều nên chúng tôi phải đối mặt với tình trạng ùn tắc giao thông nghiêm trọng ở Quảng trường Thời đại,” Roy nói trong một cuộc phỏng vấn gần đây.
“Điều tương tự cũng xảy ra với các electron khi chúng ta chuyển từ 3D sang 2D, nhưng trong trường hợp của chúng tôi, 'giao thông' giữa các electron là có lợi! Khi các tương tác electron-electron này trở nên mạnh hơn, chúng ta có thể thay đổi hoàn toàn tính chất của vật liệu. Ví dụ, khi độ dày của vật liệu fermion nặng 3D giảm đi (tức là khi chúng trở nên 2D hơn), chúng có thể chuyển từ trạng thái từ tính sang siêu dẫn.”
Vật liệu hai chiều cũng có thể được điều chỉnh tương đối dễ dàng: Xếp chồng chúng theo các góc nhỏ giữa các lớp, tác dụng các lực như điện trường và từ trường, đồng thời làm căng vật liệu bằng cách xoắn hoặc tạo áp lực lên chúng có thể làm thay đổi đặc tính của chúng. Chỉ lấy một ví dụ: Chỉ cần xếp chồng hai tấm vật liệu gọi là vonfram diselenide lên nhau, xoắn chúng và thêm hoặc bớt điện tích, vật liệu sẽ có thể chuyển từ kim loại dẫn điện sang chất cách điện và trở lại.
Các nhà khoa học cũng rất hào hứng với những ứng dụng tiềm năng của vật liệu 2D trong công nghệ mà các nhà khoa học thường gọi là “ứng dụng”.
Vật liệu hai chiều có thể sẽ đóng một vai trò quan trọng trong thế hệ điện tử tiếp theo, bao gồm cả máy tính lượng tử vẫn đang được phát triển. Tại sao? Phần lớn là do vật liệu 2D siêu nhỏ với các đặc tính độc đáo, có thể kiểm soát được (như siêu dẫn) và công nghệ luôn săn lùng thứ gì đó có thể đạt được kết quả nhanh hơn, hiệu quả hơn và sử dụng ít không gian hơn.
nguồn: Đại học Columbia
