Việc chuyển đổi từ hai chiều sang ba chiều có thể tạo ra ảnh hưởng sâu sắc đến hành vi của hệ thống, tương tự như khi gấp một tờ giấy thành máy bay hoặc xoắn một sợi dây thành lò xo. Ở quy mô nano, các chiều không gian đóng vai trò then chốt trong việc quyết định các tính chất vật liệu, đặc biệt trong các vật liệu lượng tử. Khi thiết kế hình học nano ở cấp độ này, việc đưa các đường cong, sự bất đối xứng hoặc các kênh kết nối vào cấu trúc có thể làm thay đổi chức năng của vật liệu. Tuy nhiên, thách thức lớn là làm thế nào để hiện thực hóa những hình học 3D phức tạp như vậy trong vật liệu lượng tử ở quy mô nano.
Hình ảnh kính hiển vi điện tử quét của cấu trúc nano siêu dẫn 3D được lắng đọng bằng công nghệ in nano 3D ghi trực tiếp (nguồn: MPI CPfS/E. Zhakina).
Nghiên cứu do nhóm khoa học quốc tế thực hiện, dẫn đầu bởi Viện Max Planck về Vật lý Hóa học Chất rắn (Đức) cho thấy câu trả lời là khả thi. Bằng một kỹ thuật tương tự như in 3D ở cấp độ nano, nhóm nghiên cứu đã tạo ra các cấu trúc siêu dẫn 3D và đạt được khả năng điều khiển cục bộ trạng thái siêu dẫn trong một cấu trúc dạng cầu nối 3D. Thậm chí, các nhà khoa học còn quan sát được chuyển động của các “xoáy siêu dẫn” - những khuyết tật ở cấp độ nano trong trạng thái siêu dẫn trong không gian 3D. Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Advanced Functional Materials.
Siêu dẫn là hiện tượng kỳ lạ trong vật lý vật liệu, nơi các chất có thể dẫn điện mà không gặp điện trở và có khả năng đẩy lùi từ trường. Điều này xảy ra do sự hình thành các “cặp Cooper” - các cặp electron liên kết chuyển động đồng bộ qua vật liệu mà không va chạm.
TS Elina Zhakina - tác giả chính của nghiên cứu cho biết, một trong những thách thức lớn nhất là làm sao kiểm soát được trạng thái siêu dẫn ở quy mô nano, điều then chốt cho việc khám phá các hiệu ứng mới và phát triển các thiết bị công nghệ trong tương lai. Bằng cách thiết kế các siêu dẫn dưới dạng hình học nano 3D, nhóm nghiên cứu đã có thể điều khiển cục bộ trạng thái siêu dẫn - nghĩa là “tắt” siêu dẫn ở từng khu vực cụ thể trong cấu trúc. Sự đồng tồn tại giữa trạng thái siêu dẫn và “bình thường” này có thể dẫn đến các hiệu ứng lượng tử thú vị như “mối nối yếu”, vốn là cơ sở cho các thiết bị cảm biến cực nhạy. Trước đây, việc tạo ra sự đồng tồn tại này thường đòi hỏi thiết kế phức tạp trong các lớp phim mỏng phẳng với trạng thái cố định.
TS Claire Donnelly - đồng tác giả của nghiên cứu chia sẻ, nhóm đã phát hiện ra rằng, có thể bật hoặc tắt trạng thái siêu dẫn ở các phần khác nhau của cấu trúc 3D chỉ bằng cách xoay trong một từ trường. Điều này cho phép tạo ra một thiết bị siêu dẫn có thể ‘tái cấu hình’ được. Khả năng tái cấu hình này mở ra nền tảng mới để xây dựng các thành phần siêu dẫn thích ứng hoặc đa chức năng. Nhóm nghiên cứu kỳ vọng, kết hợp với việc có thể kiểm soát sự lan truyền của các khuyết tật siêu dẫn, nghiên cứu có thể đặt nền móng cho thế hệ công nghệ siêu dẫn mới với logic phức tạp và kiến trúc thần kinh mô phỏng - hứa hẹn một tương lai đột phá trong các thiết bị lượng tử linh hoạt.
Xuân Bình (theo Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids)