Những con bướm nhiều màu Graphene

Một nhóm nghiên cứu quốc tế lớn do tiến sĩ Artem Mishchenko và Sir Andre Geim của Đại học Manchester dẫn dắt đã trình bày trên tạp chí Vật lý Tự nhiên (Nature Physics) cho thấy những đặc tính điện tử của graphene đột ngột thay đổi nếu đặt graphene bên trên nitrat bo hay còn gọi là “than chì trắng”.

Một trong những thách thức chính nếu muốn ứng dụng graphene trong lĩnh vực điện tử là nó không có vùng cấm (band gap), nghĩa là về cơ bản đặc tính dẫn điện của graphene không thể tắt hoàn toàn. Mặc cho mọi nỗ lực của giới nghiên cứu, cho đến nay, graphene vẫn duy trì đặc điểm dẫn điện cao.

Một hướng mới xuất hiện gần đây trong nghiên cứu graphene là cố gắng chỉnh sửa đặc tính điện tử của nó bằng cách kết hợp với những vật liệu tương tự khác thành những chồng nhiều lớp. Điều này tạo ra một trường rộng bổ sung để điện tử đi qua graphene, nhờ vậy làm thay đổi mạnh mẽ những đặc điểm điện tử của nó.

Những nhà khoa học tại Đại học Manchester đã dùng các phương tiện đo điện dung để chứng tỏ những thay đổi này. Họ phát hiện rằng khi kết hợp với từ trường, nó tạo ra vô số bản sao quang phổ gốc của graphene. Hiện tượng này được biết với cái tên là con bướm Hofstadter nhưng đây là lần đầu tiên chúng ta quan sát được những bản sao quang phổ tốt như thế.

Các nhà nghiên cứu phát hiện rất nhiều hiện tượng vật lý ngoài dự kiến trong hệ thống mới này. Ví dụ, những con bướm Hofstadter bị biến dạng rất mạnh, khác xa dự đoán lý thuyết, sở dĩ như vậy là vì các điện tử không chỉ chịu ảnh hưởng của trường rộng mà còn chịu ảnh hưởng lẫn nhau.

Báo cáo nghiên cứu này còn trình bày hiện tượng graphene bắt đầu hành xử như một mảnh sắt từ nhỏ ở nhiệt độ rất thấp. Thông thường, từ trường càng mạnh thì graphene càng nhiễm từ nhiều hơn. Con bướm Hofstadter trong những tụ điện của Manchester mang lại những dao động ngoài dự kiến mang tính chất của sắt từ. Khi những bản sao quang phổ mới xuất hiện và biến mất thì những đặc điểm sắt từ cũng vậy.

Tiến sĩ Mishchenko nhận định hệ thống điện tử mới này rất lý thú, vừa giống lại vừa khác graphene và sẽ còn mang lại nhiều ngạc nghiên khác; chúng ta phải hiểu rõ chúng trước khi có thể bàn về khả năng ứng dụng.