Giống như các kĩ sư NASA thử nghiệm những thiết kế tên lửa mới trong các nghiên cứu trên máy vi tính trước khi chuyển giao những nguyên mẫu trọn vẹn, các nhà vật lí thường lập mô hình vật chất dưới những tình huống khác nhau để xem có cái gì mới xuất hiện hay không. Điều này đặc biệt đúng đối với atomtronics [tạm dịch: điện tử học nguyên tử], một ngành khoa học tương đối mới dành cho việc tạo ra những chất liệu xử lí kĩ thuật nhân tạo gồm những nguyên tử trung hòa giữ trong một ma trận bằng những chùm tia laser, hoặc các nguyên tử chuyển động theo một quỹ đạo như mong muốn dưới tác dụng của lực điện hoặc lực từ. Một nghiên cứu mới cho thấy một “cần điều khiển” đơn giản gồm một từ trường có thể điều chỉnh có thể tạo ra một vài pha mới của vật chất atomtronics như thế nào, một số pha trong đó chưa từng được nhìn thấy trước đây. Charles Clark, giám đốc Liên Viện Lượng tử sẽ báo cáo các kết quả tại phiên họp của Hiệp hội Hoa Kì Vì Sự tiến bộ của Khoa học (AAAS) ở Vancouver.
Một trong những cái hấp dẫn nhất của atomtronics là các tính chất của electron chuyển động trong chất rắn thường có thể bắt chước bằng cách sử dụng các nguyên tử hoạt động dưới những tình huống được điều khiển cao độ. Tại sao không nghiên cứu các electron một cách trực tiếp? Bởi vì trong atomtronics, lực tương tác giữa các nguyên tử có thể điều khiển được; bạn không thể làm như thế với các electron trong chất rắn. Nghĩa là các nguyên tử có thể bị cảm ứng tương tác qua một lực có thể tắt/mở, khai thác moment lưỡng cực từ lớn của một số nguyên tử, ví dụ như dysprosium-161.
Clark sẽ mô tả khuôn khổ lí thuyết đã thực hiện với các đồng nghiệp tại trường Đại học George Mason, Đại học Hamburg, Đức và Đại học California, Riverside. Họ đã cùng nhau nghiên cứu cái xảy ra khi những nguyên tử từ tính cao cực lạnh giữ trong một mạng quang và chịu tác dụng của một từ trường ngoài, từ trường đó có thể lái theo những hướng khác nhau. Từ trường này hút đẩy lên các nam châm cỡ nguyên tử và, cùng với hướng của trường, cho phép các nguyên tử đứng thẳng hoặc hút lên các cạnh của chúng ở những góc nghiêng khác nhau mô tả trên hình bằng những góc phi và delta. Bằng cách này, nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh tương tác đó theo yêu cầu.
Các nguyên tử không chịu nhúc nhích tại chỗ đặt chúng. Chúng tự bố trí thành những khuôn mẫu. Mỗi khuôn mẫu có thể xem là một pha khác của vật chất atomtronics. Và giống hệt như các phân tử nước có thể tồn tại trong các pha – băng, nước, hơi nước – tùy thuộc vào một cái cần điều khiển nhiệt độ và áp suất được triển khai ra sao, các nguyên tử từ tính tự sắp xếp chúng thành vô số pha tùy thuộc vào cái cần điều khiển từ tính điều khiển độ lớn và sự định hướng của từ trường ngoài.
Những fermion lưỡng cực trong mạng vuông
Các khuôn mẫu nguyên tử có thể vẽ trên một biểu đồ pha trong đó trục x và trục y mô tả những giá trị khác nhau của sự định hướng cần điều khiển. Một pha được đặt tên là cb-CDW (phần màu ngọc lam), nghĩa là các nguyên tử trong mạng quang xuất hiện dạng hình một bàn cờ đam (cb) khi các electron trong một chất rắn tự định hướng chúng qua cái gọi là “sóng mật độ điện tích” (CDW), tương đương với một trạng thái tập thể của các electron trong kim loại đã được khai thác là một giải pháp mã hóa dữ liệu. Trong hình vẽ nhỏ ở bên trái, các chấm đỏ biểu diễn xác suất một nguyên tử ở trong đốm đó là lớn, còn các chấm xanh biểu diễn xác suất một nguyên tử ở trong đốm đó là nhỏ hơn.
Một pha khác (phần màu cam) gồm các nguyên tử ưu tiên sắp thành sọc vằn (st). Một pha thứ ba được đặt tên là BCS. Trong pha này, tương tự với những cặp electron trong chất siêu dẫn (như mô tả bởi lí thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer), các nguyên tử ghép cặp yếu qua những lực tác dụng xa xuyên vài khoảng cách nguyên tử.
Hai pha khác nhìn thấy trong nghiên cứu trên là hoàn toàn bất ngờ. Hai pha này gồm những cặp – một nguyên tử và một khoảng trống lân cận – tự phân bố thành hình bàn cờ đam hay hình sọc vằn. Nói cách khác, nếu một cặp như vậy tự bố trí ở một chỗ nào đó trong mạng, thì một cặp khác ít nhiều có khả năng ở trong khe đôi lân cận. Các tác giả gọi pha mới này là “chất rắn trật tự liên kết” (BOS) theo nghĩ là các liên kết giữa những cặp đôi nguyên tử-khoảng trống dường như đang tạo ra khuôn mẫu chứ không phải bản thân các nguyên tử. Các pha trật tự liên kết đã được phỏng đoán trước đây trong những mô hình một chiều lí tưởng hóa, nhưng đây là báo cáo đầu tiên cho sự tồn tại của chúng trong một hệ vật chất có thể hiện thực hóa.
Những pha này xuất hiện cùng với sự có mặt của những tương tác lưỡng cực tầm xa giữa các nguyên tử cực lạnh, một đặc điểm không tồn tại đối với các electron trong chất rắn hoặc thế hệ đầu tiên của những hệ nguyên tử và phân tử cực lạnh. Những phát triển thực nghiệm trong thời gian gần đây cho thấy triển vọng cho việc hiện thực hóa các hệ fermion lưỡng cực cực lạnh trong phòng thí nghiệm.
Satyan Bhongale (Đại học George Mason), tác giả đứng tên đầu của nghiên cứu này, cho biết, “Là những nhà vật lí, chúng tôi thích phân loại các trạng thái của vật chất. Những hệ điện tử nhiệt độ thấp là rất phức tạp và khó điều khiển hoặc quan sát chi tiết. Những hệ atomtronics là đối tượng để điều khiển và mô tả khéo léo, mang lại sự truy xuất trực tiếp và cái nhìn rõ ràng vào những pha mới lạ của vật chất.”
Tham khảo: "Bond order solid of two-dimensional dipolar fermions," S. G. Bhongale, L. Mathey, S.-W. Tsai, C. W. Clark, and E. Zhao, http://arxiv.org/abs/1111.2873 (Physical Review Letters, bản in)
Alpha Physics – thuvienvatly.com
Nguồn: Joint Quantum Institute
