Trạng thái vật chất thứ năm tạo nên bước đột phá lượng tử
Các nhà khoa học tạo ra ngưng tụ Bose–Einstein lưỡng cực natri–cesi ở mức nhiệt chỉ cao hơn độ không tuyệt đối 5 nanoKelvin, mở ra kỷ nguyên mới cho vật lý lượng tử và vật chất kỳ dị.
Vào giữa thập niên 1920, hai “gã khổng lồ” tuyệt đối của vật lý học thế giới là ông Satyendra Nath Bose và ông Albert Einstein đã đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của một trạng thái vật chất lượng tử kỳ lạ, sau này được đặt tên theo chính họ: ngưng tụ Bose–Einstein (BEC).
Hai nhà khoa học dự đoán rằng nếu các hạt được làm lạnh xuống mức siêu lạnh — chỉ còn cách độ không tuyệt đối (-459,67 độ F) một phần rất nhỏ — và được duy trì ở mật độ thấp, chúng sẽ hợp nhất thành một thể không thể phân biệt từng hạt riêng lẻ.
Khoảng 70 năm sau, các nhà khoa học tại Đại học Colorado (Mỹ) đã chứng minh giả thuyết của ông Einstein và ông Bose là chính xác. Kể từ đó, BEC trở thành một công cụ then chốt để nghiên cứu các tính chất lượng tử của nguyên tử. Hàng loạt tiến bộ tiếp theo — từ việc làm cho các hạt lạnh hơn nữa cho đến việc khiến chúng liên kết thành các phân tử hai nguyên tử — đã khiến BEC ngày càng hữu ích trong hành trình tìm kiếm những quy luật nền tảng chi phối vũ trụ.
Giờ đây, các nhà vật lý của Đại học Columbia, phối hợp với Đại học Radboud ở Hà Lan, đã đưa hành trình kéo dài cả thế kỷ của BEC sang một chương mới khi tạo ra một ngưng tụ natri–cesi chỉ cách độ không tuyệt đối 5 nanoKelvin. Dù đây đã là một mức nhiệt cực kỳ ấn tượng, điều quan trọng nhất của thí nghiệm này nằm ở chỗ BEC thu được là lưỡng cực, tức là nó đồng thời mang cả điện tích dương và điện tích âm.
“Bằng cách kiểm soát các tương tác lưỡng cực này, chúng tôi hy vọng có thể tạo ra những trạng thái lượng tử và pha vật chất hoàn toàn mới”, ông Ian Stevenson, nghiên cứu sau tiến sĩ tại Columbia và đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết trong một thông cáo báo chí.
Vi sóng thường gắn liền với việc làm nóng vật chất, nhưng ông Tijs Karman thuộc Đại học Radboud, đồng tác giả nghiên cứu, cho rằng vi sóng có thể hoạt động như những “lá chắn”, bảo vệ các phân tử khỏi những va chạm gây mất mát trong khi các phân tử nóng hơn bị loại khỏi mẫu, từ đó tạo ra hiệu ứng làm lạnh tổng thể.
Nhóm nghiên cứu từng thử nghiệm kỹ thuật vi sóng này vào năm 2023, song trong nghiên cứu mới, họ đã bổ sung thêm một trường vi sóng thứ hai, cho hiệu quả vượt trội trong việc tạo ra BEC mong muốn.
“Chúng tôi thực sự đã nắm rất rõ các tương tác trong hệ này, điều mang tính then chốt cho các bước tiếp theo, như khám phá vật lý nhiều hạt lưỡng cực”, ông Karman nói. “Chúng tôi đã đề xuất các cơ chế kiểm soát tương tác, kiểm nghiệm chúng trên lý thuyết và triển khai thành công trong thí nghiệm. Việc chứng kiến những ý tưởng về ‘che chắn vi sóng’ được hiện thực hóa trong phòng thí nghiệm thực sự là một trải nghiệm đáng kinh ngạc”.
Việc tạo ra BEC lưỡng cực này mở ra cánh cửa cho hàng loạt dạng vật chất kỳ dị khác, bao gồm các “giọt lưỡng cực ngoại lai, các pha tinh thể tự tổ chức và chất lỏng spin lưỡng cực trong mạng quang học”, theo nội dung bài báo khoa học. Tuy nhiên, đó mới chỉ là một phần nhỏ trong hàng chục ứng dụng tiềm năng mà BEC mới này có thể mang lại.
Do thí nghiệm cho phép kiểm soát cực kỳ chính xác các tương tác lượng tử, ông Jun Ye, một nhà khoa học về vật chất siêu lạnh tại Đại học Colorado, cho rằng những tác động đối với lĩnh vực hóa học lượng tử có thể sẽ rất sâu rộng.
Trạng thái vật chất thứ năm, ít được biết đến của vũ trụ, tiếp tục khiến giới khoa học kinh ngạc — hơn một thế kỷ sau khi nó lần đầu tiên bước vào thế giới vật lý học với tư cách một ý tưởng táo bạo.
