Dù mới là nghiên cứu sinh, Yuan Cao đã khám phá được tính siêu dẫn từ các tấm carbon có độ dày cỡ một nguyên tử.
Yuan Cao và giáo sư Pablo Jarillo-Herrero tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT).Nguồn: MIT News
Yuan Cao trải qua thời kỳ niên thiếu một cách bình thường: tốt nghiệp THPT ở tuổi 18, anh thi vào trường đại học KH&CN Trung Quốc ở Hợp Phì rồi tới Mỹ làm nghiên cứu sinh. Nhưng rồi mọi thứ đã khác: năm 2018, ở tuổi 21, Yuan Cao đã có hai công bố về tính chất kỳ lạ của các lớp carbon có độ dày cỡ nguyên tử có khả năng thúc đẩy một lĩnh vực mới của vật lý. Mặc dù biết khả năng khác thường của mình nhưng Cao vẫn nói mình không có gì đặc biệt. Anh vẫn theo học tại trường đại học và “chỉ bỏ qua những thứ nhàm chán lúc học trong trường cấp hai”.
Vào năm 2014, nhóm nghiên cứu của giáo sư Pablo Jarillo-Herrero tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Cambridge vừa mới chuyển sang nghiên cứu về những góc độ khác nhau của những tấm carbon quay và xếp lớp khi Cao tham gia nhóm. Công việc của Cao là tìm hiểu những gì diễn ra trong các chồng hai lớp khi một tấm graphene xoắn hờ lấy một tấm khác, vốn được một lý thuyết dự đoán là có thể làm thay đổi một cách hoàn toàn tính chất của loại vật liệu này.
Nhiều nhà vật lý đã hoài nghi về ý tưởng đó nhưng khi Cao thiết lập cách tạo ra các chồng hai lớp xoắn tinh tế, anh đã chỉ ra những điểm kỳ lạ. Tiếp xúc với một điện trường có cường độ nhỏ và được làm lạnh đến 1,7 độ trên độ không tuyệt đối, vật liệu graphene này – thông thường vẫn dẫn điện– trở thành một thứ vật chất có tính cách điện (Y. Caoet al. Nature556, 80–84; 2018: trong công bố này, Cao là tác giả thứ nhất). Bản thân điều đó đã đủ gây ngạc nhiên. “Chúng tôi biết, công bố này có thể tạo ra một tác động lớn vào cộng đồng khoa học”, Cao nói. Nhưng sau đó còn một công bố xuất sắc hơn: với một chỉnh sửa nhỏ về điện trường, các phiến graphene xoắn này đã trở thành chất siêu dẫn, cho phép dòng điện truyền qua mà không bị cản trở (Y. Caoet al. Nature556, 43–50; 2018: trong công bố này, Cao là tác giả chính). Phải đến khi quan sát hiệu ứng này trong mẫu thử thứ hai, nhóm nghiên cứu của Pablo Jarillo-Herrero mới tin điều đó là sự thật.
Khả năng đưa lớp carbon có độ dày cỡ một nguyên tử vào một trạng thái electron phức hợp thông qua một phép quay đơn giản hiện giờ khiến các nhà vật lý tập trung vào việc tìm ra các trạng thái thú vị trong những vật liệu hai chiều khác. Một số nhà vật lý thì hi vọng là graphene có thể gợi ý cho những vật liệu phức tạp hơn như siêu dẫn tại các nhiệt độ cao hơn nhiều. “Chúng tôi còn có thể làm nhiều điều nữa. Giờ có vô số các cơ hội trong tầm tay”, Cory Dean, một nhà vật lý tại trường đại học Columbia tại New York, nhận xét.
Điểm trúng “góc ma thuật” của graphene - một vòng quay giữa các phiến được đặt gần như đồng thời với góc nghiêng 1.1° - là kết quả của nhiều lần “thử và sai” nhưng Cao sớm nhận ra cách nào là hợp lý. Kỹ năng làm thực nghiệm của anh là điều cốt yếu, Jarillo-Herrero nói. Cao đi tiên phong trong phương pháp chia tách một tấm graphene đơn vì anh có thể tạo ra một chồng lớp gồm hai lớp với sự định hướng đồng nhất, từ đó anh có thể tinh chỉnh nó. Anh cũng ngắt được hệ cryo để đạt đến một nhiệt độ cho phép hiện tượng siêu dẫn xuất hiện một cách rõ ràng hơn.
Cao yêu thích việc tách các vật ra xa và tái tạo chúng. Ở sâu thẳm bên trong, anh chính là “một kẻ thích vọc vạch các loại máy móc”, Jarillo-Herrero nhận xét. Anh thích “chụp ảnh” bầu trời đêm bằng máy quay và kính viễn vọng tự chế - những thứ thường vương vãi trong khắp phòng của Cao. “Lúc nào tới, tôi cũng thấy bàn làm việc của cậu ta một đống lộn xộn các mảnh máy tính, các mảnh kính viễn vọng”, ông cho biết thêm.
Dù cậu còn ít tuổi và hay bẽn lẽn, đồng nghiệp vẫn cho rằng sự trưởng thành sớm của Cao đã lộ rõ. Từng bỏ lỡ cơ hội có một chỗ đứng trong chương trình vật lý của MIT, Cao đã tìm được cách theo đuổi lĩnh vực này bằng việc nhảy vào cùng nhóm nghiên cứu của Jarillo-Herrero qua chương trình Kỹ thuật điện. Cũng từng có khởi đầu đáng thất vọng khi làm nghiên cứu sinh, sau khi nhận thấy dữ liệu tưởng chừng rất thú vị mà anh dành ra 6 tháng để cố hiểu có ẩn chứa vấn đề từ việc thiết lập thí nghiệm. “Dĩ nhiên là cậu ta không vui nhưng cậu ấy vẫn xắn tay áo lên và tiếp tục làm việc”, Jarillo-Herrero nói.
Ỏ tuổi 22, Cao vẫn còn chưa rõ mình sẽ hướng công việc tới đâu. “Chúng tôi vẫn còn quá nhiều việc để làm với graphene góc ma thuật”, anh nói. Các trường đại học trên khắp thế giới đang ‘để mắt” tới anh không chỉ cho postdoc mà thậm chí là một vị tri trong trường, theo nhà vật lý Changgan Zeng – người thầy của Cao tại trường đại học KH&CN Trung Quốc. “Cộng đồng vật lý các chất đậm đặc Trung Quốc đều biết đến cậu ấy,” Zeng nói. Ngôi trường này cũng tự hào muốn đưa anh trở lại nhưng Zeng thì mong đợi Cao sẽ ở lại Mỹ bởi “ở tại đó có thể dễ dàng nhìn thấy các ngôi sao” – hàm ý cho rằng anh có thể cộng tác với những người giỏi nhất.