Hiệu ứng Kondo: Triển vọng ứng dụng cho công nghệ lượng tử

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)). (Ảnh: TL)

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, nhưng 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.

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 Tiến sĩ 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 Giáo sư 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 Giáo sư 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, Tiến sĩ Nguyễn Thị Kim Thanh đã có cơ hội gặp gỡ và trao đổi trực tiếp với Giáo sư 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 Tiến sĩ 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.

Theo đánh giá của các nhà khoa học, hiệu ứng Kondo có ý nghĩa trong nghiên cứu vật lý. Hiệu ứng Kondo luôn được quan tâm của vì nó cung cấp manh mối để nghiên cứu các tính chất điện tử của nhiều loại vật liệu mà tương tác giữa các điện tử là đặc biệt mạnh. Ngoài ra, việc nghiên cứu lý thuyết các bài toán Kondo khẳng định và phát triển các phương pháp nghiên cứu quan trọng để giải các bài toán nhiều hạt khác.

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, đồng thời ghi nhận những đóng góp xuất sắc của các nhà khoa học Việt Nam trong lĩnh vực vật lý hiện đại.

BÍCH LIÊN