Lần đầu tiên lưỡng tính sóng hạt thể hiện ở những phân tử lớn

Một trong những bí ẩn sâu sắc nhất trong vật lí lượng tử là lưỡng tính sóng hạt: mỗi đối tượng lượng tử vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt. Hiệu ứng này được chứng minh đẹp đẽ nhất trong thí nghiệm hai khe: chiếu những dòng hạt (photon, electron, hay bất kì hạt nào) vào một màn chắn có hai khe hẹp. Trong khi mỗi hạt trình hiện riêng rẻ tại máy dò hạt, nhưng sự phân bố hạt xét như một tổng thể tạo ra một hình ảnh giao thoa như thể chúng là sóng vậy. Mô tả sóng thuần túy hoặc mô tả hạt thuần túy đều không thành công trong việc giải thích những thí nghiệm này.

Nay các nhà nghiên cứu vừa thực hiện thành công một thí nghiệm giao thoa lượng tử với những phân tử lớn hơn và khối lượng lớn hơn nhiều so với trước đây. Thomas Juffmann và các đồng sự đã chiếu những phân tử gồm hơn 100 nguyên tử vào một màn chắn với những khe hẹp được thiết kế để giảm thiểu các tương tác phân tử, và quan sát thấy sự hình thành của hệ vân giao thoa. Thí nghiệm đạt tới chế độ trong đó vật lí vĩ mô và vật lí lượng tử chồng chất lên nhau, mang lại một phương pháp nghiên cứu sự chuyển tiếp đó mà nhiều nhà vật lí đã và đang theo đuổi trong hàng thập niên qua.

Ảnh phác họa sự nhiễu xạ ánh sáng hai khe của Thomas Young trình bày trước Hội Hoàng gia Anh vào năm 1803

Sự giao thoa của sóng được xác định một phần bởi bước sóng. Theo vật lí lượng tử, bước sóng của một hạt có khối lượng tỉ lệ nghịch với xung lượng của nó (khối lượng nhân với vận tốc của hạt). Nói cách khác, hạt càng nặng thì bước sóng của nó ở một tốc độ cho trước càng ngắn.

Một quả bóng đá được sút đi (chẳng hạn) có bước sóng rất nhỏ so với kích cỡ của quả bóng vì nó có khối lượng tương đối lớn và vận tốc đo theo mét trên giây (thay vì nano mét hay đại loại thế). Trái lại, một electron thì có bước sóng tương đối lớn (mặc dù vẫn thuộc về vi mô) vì nó có khối lượng nhỏ. Bước sóng càng dài thì càng để tạo ra hệ vân giao thoa. Rất không có khả năng cho hai quả bóng đá giao thoa với nhau (theo ý nghĩa lượng tử!), trong khi muốn tạo ra sự giao thoa electron thì chẳng khó khăn gì.

Các phân tử tương đối lớn phthalocyanine (C₃₂H₁₈N₈) và dẫn xuất phthalocyanine (C₄₈H₂₆F₂₄N₈O₈) có khối lượng lớn hơn bất kì hạt vật chất nào từng được quan sát thấy hiệu ứng giao thoa lượng tử từ trước đến nay. Để có bước sóng tương đối lớn so với kích cỡ của chúng, các phân tử đó cần chuyển động rất chậm. Juffmann thu được như vậy bằng cách chiếu một diode laser xanh lên trên một màng phân tử rất mỏng trong một buồng chân không, làm bật ra từng phân tử thẳng hướng với chùm tia trong khi phần còn lại chẳng bị ảnh hưởng gì.

Sau khi rời khỏi màng, các phân tử được gửi qua một bộ chuẩn trực để đảm bảo chúng tạo ra một chùm hạt trước khi đi tới màn chắn, màn chắn có một số khe song song để tạo ra hệ vân giao thoa thật sự. Để ngăn những tương tác không cần thiết (chủ yếu do lực van der Waals) giữa các phân tử và rìa khe hẹp, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một cách tử được xử lí đặc biệt tráng trên màng silicon nitride. Không có sự xử lí này, các phân tử có khả năng bị lệch hướng do sự tương tác bình thường với phần cứng.

Sau khi đi qua các khe, vị trí của các phân tử được ghi lại bằng kĩ thuật hiển vi học huỳnh quang, với độ phân giải không gian và phản ứng vừa đủ nhanh để phát hiện các phân tử đi tới lúc nào và ở đâu. Vị trí của từng đốm được đo đến độ chính xác 10 nano mét. Ngoài ra, các phân tử đập vào màn huỳnh quang, nên vị trí của chúng có thể được xác thực độc lập ở dạng tích góp tại cuối thí nghiệm.

Các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy bản chất hạt của các phân tử ở dạng những đốm sáng riêng lẻ xuất hiện đơn độc trên máy dò huỳnh quang khi chúng đi tới. Nhưng, theo thời gian, những đốm này tạo nên một hệ vân giao thoa do bản chất sóng của các phân tử.

Như Juffmann trình bày, không có sự giải thích nào khác ngoài sự giao thoa lượng tử cho hình ảnh xuất hiện trên máy dò huỳnh quang. Vì các phân tử phthalocyanine và dẫn xuất phthalocyanine tương đối lớn và nặng, nên hành trạng của chúng đạt tới giới hạn tại đó các tính chất vĩ mô bắt đầu tự biểu hiện. Các thí nghiệm tương lai với những phân tử lớn hơn nữa có thể khảo sát sự chuyển tiếp giữa vật lí học hàng ngày, trong đó sự giao thoa lượng tử không có vai trò gì, và thế giới lượng tử kì bí.

123physics – thuvienvatly.com
Nguồn: PhysNews.com

Bài trước | Bài kế tiếp