Các nhà vật lí tại trường Đại học Chicago vừa chứng minh thực nghiệm lần đầu tiên rằng các nguyên tử được làm lạnh xuống tới những nhiệt độ gần không độ tuyệt đối có thể hành xử giống như những hệ tự nhiên có vẻ chẳng liên quan gì với cấp bậc hết sức khác nhau, mang lại khả năng khảo sát mối liên hệ giữa địa hạt nguyên tử và những câu hỏi sâu sắc của vũ trụ học.
Trạng thái cực lạnh này, gọi là “tới hạn lượng tử”, gợi đến những tương đồng giữa những hiện tượng đa dạng như cơ chế động lực học của lỗ đen hoặc những điều kiện kì lạ chiếm ưu thế lúc vũ trụ ra đời, phát biểu của Cheng Chin, phó giáo sư vật lí tại UChicago. Các kết quả có thể hướng đến những phương pháp mô phỏng các hiện tượng vũ trụ học thời vũ trụ sơ khai bằng cách nghiên cứu những hệ nguyên tử ở trạng thái tới hạn lượng tử.
“Tới hạn lượng tử là điểm nhấn cho chúng tôi đưa ra mối liên hệ giữa những quan sát của chúng tôi và những hệ khác trong tự nhiên,” Chin nói. Đội của Chin là những người đầu tiên quan sát thấy sự tới hạn lượng tử ở những nguyên tử cực lạnh trong mạng quang, một ma trận đều đặn tạo ra bởi nhiều chùm laser bắt giữ và định xứ từng nguyên tử.
Ảnh màu giả thể hiện mật độ trung bình của các nguyên tử cesium dùng trong nghiên cứu sự tới hạn lượng tử trong phòng thí nghiệm cực lạnh của Cheng Chin tại Chicago. Mật độ thấp nhất trong vùng màu trắng ở bên ngoài, cao nhất ở phía tâm, nơi số lượng nguyên tử bị ánh sáng laser hồng ngoại chặn lại nhiều hơn. (Ảnh: Xibo Zhang và Cheng Chin)
Nghiên cứu sinh Xibo Zhang và hai đồng tác giả UChicago đã công bố kết quả quan sát của họ trên tạp chí Science Express ngày 16/2 và tạp chí Sience ngày 02/3.
Sự tới hạn lượng tử chỉ xuất hiện trong vùng phụ cận của một chuyển tiếp pha lượng tử. Trong vật lí học hàng ngày, ta thấy những chuyển tiếp pha thông thường, ví dụ khi nước đóng băng do sự giảm nhiệt độ. Những chuyển tiếp pha lượng tử kì lạ hơn và khó nắm bắt hơn chỉ xảy ra ở những nhiệt độ cực lạnh dưới tác dụng của từ trường, áp suất hoặc những yếu tố khác.
“Đây là một bước rất quan trọng trong việc có một phép kiểm tra hoàn chỉnh của lí thuyết tới hạn lượng tử ở một hệ bạn có thể mô tả đặc trưng và đo cực tốt,” phát biểu của giáo sư vật lí Subir Sachdev tại Harvard.
Các nhà vật lí đã nghiên cứu rộng rãi sự tới hạn lượng tử ở các tinh thể, chất siêu dẫn và vật liệu từ, nhất là khi nó gắn liền với sự chuyển động của các electron. “Những nỗ lực đó bị cản trở bởi thực tế là chúng ta không thể đi sâu vào và thật sự nhìn vào mỗi electron đang làm cái gì và những tính chất khác,” Sachdev nói.
Công trình nghiên cứu lí thuyết của Sachdev đã làm sáng tỏ một mối liên hệ toán học sâu sắc giữa cách thức các hạt hạ nguyên tử hành xử ở gần điểm tới hạn lượng tử và cơ chế động lực học hấp dẫn của các lỗ đen. Vì thế, trong vòng vài năm tới, một phần thí nghiệm Chicago có thể mang lại cơ sở kiểm tra cho những ý tưởng như thế.
Có hai loại điểm tới hạn, cái tách biệt pha này với pha kia. Bài báo Chicago xử lí loại đơn giản hơn trong hai loại này, một cột mốc quan trọng hướng đến việc xử lí phiên bản phức tạp hơn, Sachdev nói. “Tôi tưởng tượng đó là cái sắp diễn ra trong một hai năm sắp tới và đó là cái chúng tôi đang tìm kiếm hiện nay,” ông nói.
Những đội nghiên cứu khác đã quan sát sự tới hạn lượng tử dưới những điều kiện thực nghiệm hoàn toàn khác. Vào năm 2010, chẳng hạn, một đội đứng đầu là Thomas Rosenbaum, một giáo sư vật lí tại Chicago, đã quan sát sự tới hạn lượng tử ở một mẩu chromium nguyên chất khi nó chịu áp suất cực cao.
Zhang, người sẽ lấy bằng tiến sĩ trong tháng này, đã đầu tư gần hai năm rưỡi công sức cho những kết quả mới trên của phòng thí nghiệm của Chin. Đồng tác giả với Zhang và Chin là Chen-Lung Hung, một nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại Viện Công nghệ California, và nhà nghiên cứu hậu tiến sĩ Shih-Kuang Tung tại UChicago.
Trong thí nghiệm nhỏ của họ, các nhà khoa học Chicago sử dụng những tập hợp gồm những chùm laser giao nhau để bẫy và làm lạnh tới 20.000 nguyên tử cesium trong một mặt phẳng nằm ngang bên trong một buồng chân không hình trụ 8 inch. Quá trình làm biến đổi các nguyên tử từ một chất khí nóng đến siêu chảy, một dạng kì lạ của vật chất chỉ tồn tại ở những nhiệt độ hàng trăm độ dưới không.
“Toàn bộ thí nghiệm mất sáu đến bảy phút, và chúng tôi có thể lặp lại thí nghiệm nhiều lần,” Zhang nói.
Thiết bị thí nghiệm gồm một camera CCD đủ nhạy để ghi ảnh sự phân bố của các nguyên tử trong một trạng thái tới hạn lượng tử. Camera CCD ghi lại cường độ của ánh sáng laser khi nó đi vào buồng chân không chứa hàng nghìn nguyên tử cực lạnh được bố trí nhất định.
“Cái chúng tôi ghi trên camera về cơ bản là cái bóng gây ra bởi các nguyên tử,” Chin giải thích.
Ban đầu, các nhà khoa học Chicago tìm kiếm dấu hiệu của sự tới hạn lượng tử trong những thí nghiệm tiến hành ở những nhiệt độ cực lạnh từ 30 đến 12 nano Kelvin, nhưng không tìm thấy bằng chứng nào có sức thuyết phục. Hồi năm ngoái, họ đã có thể đẩy nhiệt độ xuống tới 5,8 nano Kelvin, tức chừng vài phần tỉ của một độ trên không độ tuyệt đối. “Hóa ra bạn cần phải hạ xuống dưới 10 nano Kelvin mới nhìn thấy hiện tượng này trong hệ của chúng tôi,” Chin nói.
Đội của Chin đặc biệt quan tâm đến khả năng sử dụng các nguyên tử cực lạnh để giả lập sự diễn tiến của vũ trụ sơ khai. Tham vọng này bắt nguồn từ khái niệm giả lập lượng tử mà nhà khoa học giành giải Nobel Richard Feynman đã đề xuất hồi năm 1981. Feynman cho rằng nếu các nhà khoa học hiểu một hệ lượng tử đủ tốt, thì họ có thể sử dụng nó để giả lập sự hoạt động của một hệ khác có thể khó nghiên cứu trực tiếp.
Đối với một số nhưng, như Sachdev ở Harvard, sự tới hạn lượng tử ở những nguyên tử cực lạnh đáng để nghiên cứu với tư cách là một hệ vật lí. “Tôi muốn tìm hiểu nó vì những tính chất lượng tử đẹp đẽ của riêng nó chứ không xem nó là một mô phỏng của cái gì đó khác,” ông nói.
Alpha Physics – thuvienvatly.com
Nguồn: Đại học Chicago (web)
