Hiệu ứng Kondo là một hiện tượng vật lý đặc biệt, được quan sát trong các kim loại có pha tạp các nguyên tử mang từ tính. Khác với tính chất thường thấy ở kim loại nguyên chất – nơi điện trở suất giảm khi nhiệt độ giảm – trong các hệ có tạp chất từ, điện trở suất lại tăng khi nhiệt độ hạ thấp. Nguyên nhân của hiện tượng này là do tương tác từ giữa spin của các điện tử dẫn và spin của các tâm tạp. Mặc dù hiệu ứng này đã được phát hiện trong thực nghiệm từ năm 1934, phải đến năm 1964, nhà vật lý người Nhật Jun Kondo mới đưa ra lời giải thích lý thuyết thuyết phục cho hiện tượng trên, từ đó hiệu ứng mang tên ông.
Điều đáng chú ý là các hiện tượng tương tự hiệu ứng Kondo thông thường cũng có thể xảy ra ngay cả khi không có bậc tự do từ tính. Chúng xuất hiện bất cứ khi nào tồn tại sự suy biến lượng tử liên kết với một thể liên tục. Một ví dụ điển hình là hiệu ứng Kondo điện tích, trong đó các trạng thái suy biến liên quan đến điện tích – thay vì spin – đóng vai trò trung tâm. Một trong những hệ vật lý tiêu biểu để nghiên cứu hiện tượng này là các chấm lượng tử: những đảo kim loại cực nhỏ, nơi các điện tử bị giam giữ trong cả ba chiều không gian, dẫn đến sự lượng tử hóa các mức năng lượng.
Hiệu ứng Kondo điện tích lần đầu tiên được đề xuất trong các mô hình lý thuyết bởi Flensberg, Matveev và Furusaki trong giai đoạn 1993–1995. Tại Việt Nam, nghiên cứu lý thuyết về hiệu ứng này đã được TS. Nguyễn Thị Kim Thanh, Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, nghiên cứu trong khuôn khổ hợp tác với GS. Mikhail Kiselev, Trung tâm Vật lý Lý thuyết Quốc tế Abdus Salam.
Bước ngoặt thực nghiệm quan trọng xảy ra vào năm 2015, khi nhóm nghiên cứu của GS. Frédéric Pierre tại Đại học Paris-Saclay thành công trong việc thiết lập các thí nghiệm xác thực hiệu ứng Kondo điện tích. Thành tựu này không chỉ củng cố cơ sở lý thuyết mà còn mở đường cho việc nghiên cứu các biến thể phức tạp hơn như hiệu ứng Kondo đa kênh, nơi một bậc tự do lượng tử hóa (spin hoặc điện tích) được liên kết đồng thời với nhiều điện cực độc lập.
Năm 2017, tại Hội nghị quốc tế “Vật lý nano: từ cơ bản đến ứng dụng – Sự trở lại” tổ chức tại Quy Nhơn, Việt Nam, TS. Nguyễn Thị Kim Thanh đã có cơ hội gặp gỡ và trao đổi trực tiếp với GS. Frédéric Pierre, người trình bày về các kết quả mới nhất liên quan đến hiệu ứng Kondo điện tích ba kênh – một hiện tượng có độ phức tạp cao trong vật lý chất rắn. Khi đó, các mô hình lý thuyết cho trường hợp hai kênh đã được công bố, và TS. Kim Thanh đã bày tỏ sự quan tâm đặc biệt đến việc phát triển mô hình lý thuyết cho trường hợp ba kênh.
Sự hợp tác nghiên cứu đã được cụ thể hóa qua công trình khoa học mang tên “Truyền dẫn nhiệt điện trong mạch Kondo điện tích ba kênh”, đăng trên tạp chí Physical Review Letters (Số 125, trang 026801, năm 2020). Bài báo là một phần trong đề tài nghiên cứu “Truyền dẫn điện tử không cân bằng qua các hệ chấm lượng tử trong chế độ Kondo” (mã số 103.01-2020.05) được Quỹ Nafosted tài trợ, góp phần làm sâu sắc thêm hiểu biết về truyền dẫn lượng tử và các hiệu ứng tương quan mạnh trong các hệ nano.
Hình 1. Sơ đồ mạch Kondo điện tích ba kênh trong công trình “Truyền dẫn nhiệt điện trong mạch Kondo điện tích ba kênh”, được đăng trên tạp chí Physical Review Letter năm 2020 (Physical Review Letters 125, 026801 (2020)).
Hình minh họa đi kèm mô tả một trong những thiết lập tiêu biểu nhất để quan sát hiệu ứng Kondo điện tích, được xây dựng dựa trên một bóng bán dẫn điện tử đơn. Trong đó, một chấm lượng tử kim loại lớn được liên kết mạnh với ba điện cực thông qua ba tiếp điểm lượng tử đơn mode, gần như truyền dẫn hoàn toàn. Cấu trúc này được gọi là “máng”.
Sự suy biến của trạng thái điện tích trong chấm lượng tử có thể được mô hình hóa tương tự như spin giả: các điện tử đi vào chấm tương ứng với “giả spin hướng lên”, trong khi các điện tử đi ra tương ứng với “giả spin hướng xuống”. Quá trình đảo chiều giả spin này xảy ra tại các tiếp điểm lượng tử, đóng vai trò như điểm giao tiếp giữa chấm và các điện cực. Số lượng tiếp điểm lượng tử trong thiết lập này tương ứng trực tiếp với số kênh Kondo – một yếu tố quyết định đến tính chất vật lý của hệ.
Trong loạt thí nghiệm do nhóm của GS. Frédéric Pierre thực hiện, dòng điện biên được tạo ra trong chế độ Hall lượng tử nguyên đóng vai trò chủ đạo. Hệ được duy trì trong trạng thái cân bằng nhiệt động cục bộ trong vùng máng, trong khi một điện cực bổ sung – gọi là nguồn – được liên kết yếu với chấm lượng tử và được duy trì ở nhiệt độ cao hơn. Sự chênh lệch nhiệt độ tại liên kết yếu này tạo điều kiện để khảo sát hiện tượng truyền dẫn nhiệt điện lượng tử. Tại liên kết yếu, điện tử có thể “chui ngầm” vào hoặc ra khỏi chấm lượng tử. Trong khi đó, tại các tiếp điểm lượng tử, điện tử thuộc dòng điện biên bị tán xạ: phần lớn truyền qua (đường liền nét trong hình vẽ), còn một phần nhỏ phản xạ ngược (đường đứt nét).
Công bố khoa học liên quan đến hệ Kondo điện tích ba kênh này đã đạt được nhiều kết quả quan trọng:
- Lần đầu tiên xây dựng lý thuyết cho hiệu ứng Kondo điện tích ba kênh, đồng thời mở rộng thành công mô hình cho trường hợp tổng quát với số kênh ≥ 3.
- Thảo luận đặc điểm nổi bật của hệ Kondo điện tích đa kênh, với các biểu thức về độ dẫn điện và công suất nhiệt điện phụ thuộc theo nhiệt độ thể hiện rõ đặc trưng của chất lỏng không Fermi. Tính chất này liên hệ chặt chẽ với đối xứng Zₘ của hệ – một yếu tố nền tảng trong lý thuyết trường lượng tử.
- Tiên đoán mang tính phổ quát về độ dẫn điện và công suất nhiệt điện trong các mạch Kondo điện tích ba kênh (và tổng quát cho mọi kênh). Các kết quả sau này, bao gồm các nghiên cứu với tương tác hoặc trong chế độ Hall lượng tử phân số, đều phù hợp với tiên đoán này.
- Dự đoán sự chuyển pha từ hệ ba kênh sang hai kênh và đơn kênh bằng cách điều chỉnh các tham số của mạch – một hướng tiếp cận tiềm năng trong điều khiển trạng thái lượng tử.
- Mở ra triển vọng phát hiện các hạt parafermion – các hạt giả tuân theo đối xứng đồng hồ Zₘ – hạt Majorana là trường hợp đặc biệt với m = 2, những đối tượng được xem là ứng viên hàng đầu cho nền tảng máy tính lượng tử topo.
- Đề xuất các thí nghiệm mới nhằm làm sáng tỏ quá trình lượng tử hóa và phân đoạn nhiệt trong hệ, góp phần thúc đẩy nghiên cứu thực nghiệm về truyền dẫn nhiệt điện lượng tử.
- Tạo cơ sở lý thuyết mới vững chắc để phát triển các phương pháp giải tích và số trong truyền dẫn nhiệt điện lượng tử – một hướng đang phát triển mạnh trong vật lý nano.
Ý nghĩa và triển vọng ứng dụng: Điểm đặc biệt của hệ Kondo điện tích nằm ở khả năng mô phỏng tự nhiên một hệ lượng tử hai trạng thái, trong đó các quá trình ra/vào của điện tử được mô tả như sự điều khiển giả spin. Cơ chế này cho phép khai thác sự vướng víu lượng tử – yếu tố nền tảng trong nguyên lý hoạt động của máy tính lượng tử. Vì vậy, mạch Kondo điện tích có thể được xem như một bộ mô phỏng lượng tử, cung cấp cơ sở lý thuyết quan trọng để hiểu sâu hơn về các nguyên lý vật lý điều khiển các thiết bị lượng tử hiện đại.
Công trình nghiên cứu không chỉ có giá trị nền tảng trong vật lý lý thuyết, mà còn mở ra những triển vọng ứng dụng thực tiễn trong lĩnh vực công nghệ lượng tử. Nó là minh chứng rõ nét cho tầm quan trọng của khoa học cơ bản đối với khoa học ứng dụng và công nghệ, đồng thời ghi nhận những đóng góp xuất sắc của các nhà khoa học Việt Nam trong lĩnh vực vật lý hiện đại.
| Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ đã trao tặng Giải thưởng Tạ Quang Bửu năm 2024 (Giải thưởng chính) cho TS. Nguyễn Thị Kim Thanh, Viện Vật lý – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, là tác giả chính của công trình khoa học xuất sắc T. K. T. Nguyen and M. N. Kiselev, 2020. Thermoelectric Transport in a Three-Channel Charge Kondo Circuit. Physical Review Letters, 125, 026801 |