Phát hiện trạng thái mới của vật chất

Một ví dụ về plasma

Bằng mắt thường, chúng ta có thể dễ dàng phân biệt các trạng thái rắn, lỏng và khí của vật chất. Tuy nhiên, các nhà khoa học vật liệu, những người nghiên cứu cả 3 trạng thái này cũng như các ví dụ kỳ lạ hơn như thể plasma, chất keo và trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein, đã xem xét sâu hơn về các đặc tính của mỗi giai đoạn, chẳng hạn như mật độ, cấu tạo hóa học và sự truyền dẫn.

Khi một nhóm chuyên gia quốc tế, bao gồm cả các nhà vật lý, nhà hóa học và nhà khoa học vật liệu, kiểm nghiệm các đặc điểm giai đoạn của một loại vật liệu mới do họ tạo ra trong phòng thí nghiệm, họ khám phá ra thứ chưa từng thấy trước đó: Một chất bộc lộ các đặc tính của cả chất cách điện, chất siêu dẫn, kim loại và nam châm.

Theo báo cáo nghiên cứu đăng tải trên tạp chí Science Advances, các nhà khoa học đã tạo ra chất mới bằng cách dàn xếp sự kết tinh của các phân tử cácbon hình cầu (một phân tử gồm 60 nguyên tử) và cho thêm vào đó các phân tử kim loại kiềm rubiđi. Sau đó, họ kiểm soát khoảng cách và áp lực giữa các phân tử cácbon hình cầu bằng cách thao túng các nguyên tử rubiđi để tinh chỉnh các giai đoạn của chất mới, chẳng hạn như biến từ chất rắn thành chất lỏng bằng cách loại bỏ các nguyên tử khỏi cấu trúc vững chắc của chúng.

Trong khi biến đổi áp lực giữa các phân tử cácbon hình cầu, nhóm nghiên cứu bắt gặp một sự thay đổi giai đoạn, biến vật liệu từ một chất cách điện thành một chất dẫn điện - quá trình gọi là hiệu ứng Jahn-Teller, được phát hiện lần đầu tiên năm 1937. Họ gọi vật liệu mới là một kim loại Jahn-Teller.

Mặc dù khám phá trên vẫn cần được công nhận bằng việc lặp lại kết quả thí nghiệm của các nhóm nghiên cứu khác, ở những phòng thí nghiệm khác trên khắp thế giới. Nhưng nếu được các nghiên cứu sau này xác thực, khám phá có thể tạo nên cuộc cách mạng về cách chúng ta sử dụng và sản sinh năng lượng.

Đó là vì, kim loại Jahn-Teller có thể mang đến một dạng chất siêu dẫn mới mà giới khoa học và các kỹ sư đang săn tìm suốt hàng thập niên qua. Một chất siêu dẫn giống chất dẫn điện ở điểm truyền tải điện tích hiệu quả. Dẫu vậy, các vật liệu dẫn điện, chẳng hạn như đồng và nhôm, vẫn có điện trở (cản trở dòng chảy electron). Sự cản trở này tiêu tốn năng lượng và cả tiền bạc. Chẳng hạn như, trong quá trình truyền tải điện từ nhà máy điện tới các hộ gia đình, ước tính tới 6% lượng điện bị thất thoát do điện trở.

Điều khiến các chất siêu dẫn trở nên tuyệt vời là chúng có điện trở bằng 0 và theo lý thuyết sẽ tạo ra các thiết bị điện có hiệu suất cao. Tuy nhiên, hàng chục vật liệu sở hữu đặc tính siêu dẫn hiện nay chỉ bộc lộ nó khi được làm lạnh tới -107,7 độ C.

Vật liệu Jahn-Teller có thể khắc phục nhược điểm này. Bằng cách nghiên cứu quá trình biến đổi của nó từ một chất cách điện thành chất dẫn điện, các nhà khoa học có thể hiểu rõ hơn hiệu ứng Jahn-Teller và ứng dụng nó để tạo ra một chất siêu bán dẫn có nhiệt độ cao hơn và không cần phải bộc lộ đặc tính ở nhiệt độ lạnh đến như trên.