Trong vật lí lượng tử, những quá trình vật lí trong những hệ vật chất ngưng tụ và những hệ nhiều vật khác thường có thể mô tả với những giả hạt. Ở Innsbruck, lần đầu tiên đội nghiên cứu của Rudolf Grimm đã thành công trong việc hiện thực hóa bằng thực nghiệm một giả hạt mới – một polaron đẩy – trong một chất khí lượng tử cực lạnh. Các nhà khoa học vừa công bố các kết quả của họ trên số ra trực tuyến của tạp chí Nature.
Các chất khí lượng tử cực lạnh là một hệ mô hình thực nghiệm lí tưởng để mô phỏng những hiện tượng vật lí trong lĩnh vực vật chất ngưng tụ. Trong những chất khí này, các trạng thái nhiều vật có thể được hiện thực hóa dưới những điều kiện và tương tác có thể điều khiển giữa những hạt hết sức dễ thao tác. Nay một nhóm nghiên cứu đứng đầu là Rudolf Grimm và Florian Schreck lần đầu tiên đã hiện thực hóa và phân tích toàn diện các polaron đẩy. Các nhà khoa học ở Viện Quang học Lượng tử và Thông tin Quang học (IQOQI) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Áo và Viện Vật lí Thực nghiệm thuộc trường Đại học Innsbruck là những người đứng đầu thế giới về lĩnh vực nghiên cứu này.
Nguyên tử potassium ở giữa (màu xanh) đẩy các nguyên tử lithium nhỏ hơn (màu vàng). Hệ phức tạp này có thể mô tả dưới dạng một giả hạt vì nó hành xử giống hệt như một hạt mới. Ảnh: Harald Ritsch
Để hiện thực hóa các polaron đẩy bằng thực nghiệm, Rudolf Grimm và đội của ông tạo ra một chất khí lượng tử cực lạnh gồm những nguyên tử lithium và potassium (kalium) trong một buồng chân không. Họ dùng trường điện từ để điều khiển tương tác hạt, và bằng cách sử dụng những xung tần vô tuyến, họ đã đưa các nguyên tử potassium vào một trạng thái trong đó chúng tác dụng lực đẩy lên các nguyên tử lithium ở xung quanh. Trạng thái phức tạp này có thể mô tả trên phương diện vật lí dưới dạng giả hạt vì, ở nhiều góc độ, nó hành xử giống như một hạt mới với những tính chất đã biến đổi. Bằng cách phân tích toàn bộ phổ năng lượng của hệ, các nhà nghiên cứu đã có thể chứng minh các polaron đẩy. “Với cách này, chúng tôi có thể hiện thực hóa và phân tích không chỉ những polaron hút mà cả polaron đẩy nữa,” Grimm nói. Sau khi các polaron hút đã được nghiên cứu trước đây, nhà vật lí lượng tử và đội của ông đã bắt tay vào một lĩnh vực khoa học hoàn toàn mới với những giả hạt đẩy mới lạ này.
Trong vật chất ngưng tụ, những giả hạt này phân hủy rất nhanh, khiến người ta gần như không thể nào nghiên cứu chúng. Ngoài ra, trong các chất khí lượng tử, các tính chất đẩy nhau đó cũng khó phát hiện: “Các polaron chỉ có thể tồn tại ở trạng thái siêu bền,” Rudolf Grimm giải thích, “và thời gian sống của chúng là cái sống còn cho khả năng của chúng ta nghiên cứu chúng. Chúng tôi thật bất ngờ khi tìm thấy các polaron của mình thể hiện thời gian sống tăng gấp mười lần so với những thí nghiệm trước đây ở những hệ tương tự. Vì thế, cách bố trí thí nghiệm của chúng tôi mang lại một nền tảng lí thuyết để phân tích chi tiết các trạng thái nhiều vật hoạt động trên các tương tác đẩy lẫn nhau.” Bước tiếp theo, các nhà nghiên cứu Innsbruck sẽ khảo sát xem những vùng chỉ có các nguyên tử lithium hoặc potassium tích tụ có được tạo ra hay không trong một chất khí lượng tử gồm những hạt đẩy nhau như thế. “Vấn đề này đã được đề xuất trong các mô hình lí thuyết nhưng nay chúng tôi sẽ có thể nghiên cứu nó trên thực nghiệm.”
Tham khảo: Metastability and coherence of repulsive polarons in a strongly interacting Fermi mixture, Christoph Kohstall, Matteo Zaccanti, Michael Jag, Andreas Trenkwalder, Pietro Massignan, Georg M. Bruun, Florian Schreck und Rudolf Grimm. Advanced Online Publication. Nature 2012. http://dx.doi.org/ … /nature11065
Alpha Physics – thuvienvatly.com
Nguồn: Đại học Innsbruck
