Các nhà khoa học tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck đã ghi ảnh trực tiếp các thăng giáng lượng tử ở không độ tuyệt đối.
Các thăng giáng là cơ sở cho nhiều hiện tượng vật lí trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta, thí dụ như sự biến đổi pha từ chất lỏng thành chất khí hoặc từ chất rắn thành chất lỏng. Nhưng ngay cả ở không độ tuyệt đối, tại đó mọi chuyển động trong thế giới cổ điển bị đông lại hết, thì những thăng giáng cơ lượng tử nhất định chiếm ưu thế có thể chi phối sự chuyển tiếp giữa hai pha lượng tử. Nay một đội nghiên cứu, đứng đầu là Immanuel Bloch và Stefan Kuhr tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck (MPQ) đã thành công trong việc quan sát trực tiếp những thăng giáng lượng tử như thế (Science, 14 October 2011).
Sử dụng một kính hiển vi phân giải cao, họ đã có thể ghi ảnh những cặp hạt-lỗ trống tương quan lượng tử trong một chất khí nguyên tử siêu lạnh. Việc này cho phép các nhà vật lí vén màn một trật tự ẩn trong tinh thể và mô tả đặc trưng những pha khác nhau của chất khí lượng tử đó. Công trình được thực hiện cùng với các nhà khoa học ở Phân viện Lí thuyết tại MPQ và ETH Zurich. Những phép đo này mở ra những phương pháp mới để mô tả đặc trưng những pha lượng tử mới lạ của vật chất.
Các nhà khoa học bắt đầu với việc làm lạnh một đám mây nhỏ gồm những nguyên tử rubidium xuống một nhiệt độ gần không độ tuyệt đối, khoảng chừng – 273 độ Celsius. Tập hợp nguyên tử này sau đó phải chịu một trường ánh sáng hạn chế chuyển động của các hạt theo những ống ánh sáng một chiều sắp song song nhau. Một sóng laser dừng khác dọc theo các ống tạo ra một mạng quang một chiều giữ các nguyên tử trong một ma trận tuần hoàn gồm những vùng ánh sáng sáng và tối.
Các nguyên tử chuyển động trong trường ánh sáng tuần hoàn đó giống như các electron trong chất rắn vậy. Giống như những chất này có thể là chất dẫn điện hoặc chất cách điện, các chất khí lượng tử một chiều có thể hành xử giống như một chất siêu lỏng hoặc giống như một chất cách điện ở nhiệt độ thấp. Đặc biệt, chiều cao của thế mạng quang giữ một vai trò quan trọng: nó xác định nguyên tử là cố định trên một nút mạng nhất định hay nó có thể chuyển động đến một nút mạng láng giềng. Ở những chiều sâu rất lớn, mỗi nút mạng bị chiếm giữ bởi đúng một nguyên tử. Trạng thái có trật tự cao này được gọi là “chất cách điện Mott”, theo tên nhà vật lí đoạt giải Nobel người Anh Neville Mott. Khi chiều sâu mạng giảm đi một chút, các nguyên tử có đủ năng lượng để đi tới một nút mạng láng giềng bằng cách chui hầm cơ lượng tử. Theo kiểu này, những cặp nút mạng trống và bị chiếm giữ kép xuất hiện, cái gọi là các cặp hạt-lỗ trống. Thật hấp dẫn, những thăng giáng lượng tử này còn xảy ra ở không độ tuyệt đối, khi mọi chuyển động trong thế giới cổ điển bị đông lại hết. Vị trí của các cặp hạt-lỗ trống tương quan lượng tử trong tinh thể hoàn toàn không xác định và chỉ bị cố định bởi quá trình đo.
Sơ đồ phân bố nguyên tử trong mạng quang. Các thăng giáng lượng tử (màu trắng) có thể nhìn thấy trực tiếp dưới dạng những đốm tối lân cận.
Trong những thí nghiệm mới đây, các nhà vật lí trong nhóm Stefan Kuhr và Immanuel Bloch đã phát triển một phương pháp, cho phép chụp ảnh các nguyên tử riêng lẻ từng nút mạng một. Các nguyên tử được làm lạnh bằng chùm tia laser, và các photon huỳnh quang phát ra trong quá trình này được dùng để quan sát các nguyên tử với một kính hiển vi phân giải cao. Các lỗ trống tự nhiên biểu diện dưới dạng những đốm đen, nhưng những nút mạng bị chiếm giữ kép cũng có diện mạo như vậy khi hai hạt đá nhau ra khỏi mạng trong thí nghiệm. Do đó, những cặp hạt-lỗ trống xuất hiện dưới dạng hai nút mạng tối liền kề (xem hình ở trên). “Với kĩ thuật của chúng tôi, lần đầu tiên chúng tôi đã có thể quan sát trực tiếp hiện tượng lượng tử cơ bản này”, nghiên cứu sinh Manuel Endres nhiệt tình mô tả.
Các nhà vật lí đã đo số lượng cặp hạt-lỗ trống liền kề qua một hàm tương quan. Với động năng tăng dần, càng có thêm nhiều hạt chui hầm qua những nút mạng lân cận và các tương quan cặp tăng lên. Tuy nhiên, khi số lượng cặp hạt-lỗ trống là rất lớn, thì thật khó phân biệt chúng một cách rõ ràng. Vì thế, hàm tương quan đó nhận những giá trị nhỏ hơn. Cuối cùng, trạng thái có trật tự của một chất cách điện Mott biến mất hoàn toàn và chất khí lượng tử trở thành chất siêu chảy. Tại đây, các thăng giáng của những lỗ trống và hạt xảy ra độc lập nhau. Hàm tương quan đo được trong thí nghiệm được tái hiện rất tốt bởi các tính toán trên mô hình do các nhà khoa học ở Phân viện Lí thuyết tại MPQ và ETH Zurich thực hiện. Thật thú vị, những nghiên cứu tương tự về những chất khí lượng tử hai chiều cho thấy rõ ràng rằng các thăng giáng lượng tử không nổi rõ trong những hệ một chiều.
Các nhà khoa học đã mở rộng phân tích của họ cho các tương quan giữa một vài nút mạng dọc theo một dây dài. Những hàm tương quan phi định xứ như thế có chứa thông tin quan trọng về hệ nhiều vật cơ sở và có thể dùng làm một thông số trật tự để mô tả đặc trưng những pha lượng tử khác nhau. Trong thí nghiệm mô tả ở đây, những thông số trật tự phi định xứ như thế đã được đo lần đầu tiên. Trong tương lai, các nhà khoa học đã có kế hoạch sử dụng những phép đo này để phát hiện các pha lượng tử tô pô học. Những pha này có thể hữu ích trong những máy tính lượng tử thực tiễn và có thể giúp tìm hiểu sự siêu dẫn ở nhiệt độ cao.
Nguồn: Max-Planck-Gesellschaft
