Các ion chì đang va chạm nhìn qua máy dò hạt ALICE tại LHC. Những va chạm như vậy có tạo ra một trạng thái siêu dẫn hay không? (Ảnh: CERN)
Trong vòng một tuần nữa thôi, các nhà khoa học sẽ kỉ niệm một thế kỉ khám phá ra sự siêu dẫn: khám phá vào năm 1911 rằng một số chất liệu khi lạnh xuống gần không độ tuyệt đối sẽ cho phép điện tích chảy đi mà không bị cản trở. Nhưng nay một nhà vật lí tin rằng sự siêu dẫn có thể xuất hiện khi không có chất liệu nào cả.
Theo Maxim Chernodub thuộc trường Đại học François-Rabelais Tours ở Pháp, sự siêu dẫn có thể xuất hiện – cho trước một từ trường rất mạnh – trong chân không của không gian trống rỗng. Nếu Chernodub là đúng, thì hiện tượng trên có thể giải thích nguồn gốc của những vệt từ trường trải dài trong vũ trụ. “Điều này cho thấy sự siêu dẫn chân không là rất khác thường”, ông nói. “Nó có một số tính chất hết sức hấp dẫn không tồn tại ở những chất siêu dẫn ‘thông thường’.”
Ở những chất siêu dẫn bình thường, điện tích chảy mà không bị cản trở vì tất cả các hạt mang điện – nghĩa là các electron – “ngưng tụ” vào cùng một trạng thái. Các nhà vật lí giải thích hành trạng này với cái gọi là lí thuyết BCS, lí thuyết mô tả cách thức các electron chuyển động trong mạng tinh thể của chất siêu dẫn. Khi một electron di chuyển, nó làm biến dạng mạng tinh thể, hút lấy điện tích dương. Electron tiếp theo khi đó hút lấy điện tích dương này, và vì thể trở nên ghép cặp với electron thứ nhất. Cùng với nhau, tất cả những electron ghép cặp hình thành nên một ngưng tụ chuyển động như một đơn thực thể.
Các nhà khoa học đã giải thích rất tốt cơ sơ vật lí của các chất siêu dẫn bình thường, thí dụ như chì, nó phải được làm lạnh xuống gần không độ tuyệt đối trong từ trường yếu. Nhưng cũng có những chất siêu dẫn tồn tại ở những nhiệt độ tương đối cao, chừng 30K hoặc cao hơn, và đối với những chất siêu dẫn này, các nhà vật lí vẫn đang đi tìm lời giải thích thỏa đáng.
Hiện tượng kì lạ nhất?
Tuy nhiên, trong một bài báo sắp đăng trên tạp chí Physical Review Letters, Chernodub bổ sung thêm một loại siêu dẫn có lẽ là lạ nhất từ trước đến nay. Không giống như sự siêu dẫn đã biết trước đây, nó sẽ tồn tại ở những nhiệt độ rất cao, có lẽ là hàng tỉ độ. Nó cũng sẽ tồn tại cùng với những từ trường mạnh và, có lẽ kì lạ hơn hết thảy, nó sẽ không cần một chất liệu nào để tồn tại – mà chỉ cần một chân không!
Vậy làm thế nào sự siêu dẫn phát sinh từ hư vô, khi mà rõ ràng không hề có hạt mang điện nào cả? Thật ra, ngay cả chân không thuần khiết nhất cũng có chứa các hạt mang điện. Theo cơ học lượng tử, chân không là một món súp gồm những hạt “ảo” tồn tại trong thời gian chớp nhoáng, thí dụ như các quark và phản quark. Một quark up và một phản quark down có thể kết hợp thành một meson rho tích điện dương, nhưng meson này thường không bền cho nên nó sẽ phân hủy ngay tức thì.
Chernodub nghĩ rằng trong một từ trường mạnh, các quark sẽ buộc phải chuyển động theo những đường sức từ - và điều này sẽ làm cho meson rho trở nên bền hơn nhiều. Ngoài ra, spin riêng của meson rho sẽ tương tác với từ trường ngoài, làm giảm khối lượng hiệu dụng của hạt xuống bằng không cho nên nó có thể chuyển động tự do, như trong một chất siêu dẫn. Các tính toán của Chernodub, dựa trên một mô hình đã biết rõ trong sắc động lực học lượng tử (QCD), cho thấy từ trường ngoài cần thiết cho sự siêu dẫn này ít nhất phải là 1016 T.
Một từ trường rất mạnh
Đó là một từ trường rất mạnh. Những nam châm mạnh nhất trên Trái đất – và có lẽ thật trớ trêu, chúng lại sử dụng những cuộn dây siêu dẫn – có thể thu được từ trường chỉ gần đến 30 T, trong khi vật thể bị từ hóa mạnh nhất trong vũ trụ, một loại sao neutron được biết đến với cái tên sao nam châm, có khả năng đạt tới những từ trường cũng chỉ 1010 T.
Nhưng Chernodub tin rằng bằng chứng của sự tiên đoán của ông có thể tìm thấy ở gần quê hương Trái đất, tại Máy Va chạm Hadron Lớn (LHC) đặt tại Geneva, hoặc Máy Va chạm Ion Nặng Tương đối tính (RHIC) tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven ở New York. Hồi tháng 11 năm ngoái, những ion chì đầu tiên đã va chạm nhau tại LHC. Vì những ion như vậy đang chuyển động,cho nên chúng sinh ra từ trường, và Chernodub nghĩ rằng một sự “sớt qua gần” của hai ion có thể tại ra từ trường 1016 T cần thiết đó – có lẽ chỉ trong thời gian chừng một yocto giây (10-24s). Nếu sự siêu dẫn chân không thật sự phát sinh tại LHC hoặc RHIC, thì ông hi vọng nó sẽ để lại vết tích của các meson rho tích điện.
“Hiện tượng này thực tế ra sao, tôi thật sự không thể nói gì vào lúc này cả”, phát biểu của Igor Shovkovy, một chuyên gia về QCD tại trường Đại học bang Arizona ở Mĩ. “Một trong những sự rắc rối trong những va chạm năng lượng cao là sự tồn tại rất ngắn của từ trường sinh ra bởi những ion hoặc proton đang đi qua. Vấn đề nữa là sự khó khăn của việc lọc ra những tin hiệu mơ hồ phân biệt hiện tượng này trong số những hiện tượng khác”.
‘Ý tưởng hấp dẫn’
Volodya Miransky, một nhà vật lí hạt tại trường Đại học Tây Ontario ở Canada, gọi tiên đoán của Chernodub là một “ý tưởng hấp dẫn” nhưng ông bổ sung thêm rằng “vấn đề người ta có thể quan sát hiện tượng này hay không là còn bỏ ngỏ, tôi nghĩ vậy, và khả năng này đáng để nghiên cứu”.
Tuy nhiên, sự siêu dẫn chân không có lẽ không luôn luôn cần đến các máy gia tốc hạt. Chernodub nghĩ rằng vũ trụ sơ khai có lẽ từng có những từ trường đủ mạnh, và những siêu-dòng điện sau đó có lẽ đã gieo nên những từ trường vĩ mô bí ẩn nhìn thấy trên toàn cõi vũ trụ ngày nay. “Nghe có vẻ như một ý tưởng điên rồ, nhưng nếu nó đúng thì sao nhỉ?”, ông nói.
Nguồn: physicsworld.com
