Hai bất ngờ mới với bài toán ba vật

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa tính ra một loại trạng thái liên kết ba vật mới sẽ tồn tại với các nguyên tử chịu tương tác xa – mặc dù bản thân các tương tác đó quá yếu để kết hợp những cặp nguyên tử giống như vậy. Những trạng thái như thế trước đây đã thấy ở các nguyên tử boson tính chịu tương tác gần, nhưng đội nghiên cứu cho biết hiện tượng mới này thì rất khác, nhất là vì nó còn có thể xảy ra với các fermion. Mặc dù các nhà nghiên cứu vẫn chưa nhìn thấy những trạng thái mới đó, nhưng những trạng thái này có thể biểu hiện trong các thí nghiệm với các chất khí nguyên tử cực lạnh.

Quan điểm rằng ba nguyên tử có thể hình thành một trạng thái lượng tử liên kết lỏng lẻo – mặc dù nếu tách riêng hai nguyên tử thì chúng không thể nào kết hợp với nhau – lần đầu tiên được dự đoán bởi nhà vật lí người Nga Vitaly Efimov hồi đầu thập niên 1970. Ngày nay được gọi là trạng thái liên kết ba vật Efimov, chúng lần đầu tiên được phát hiện ra hồi năm 2006 ở một chất khí nguyên tử caesium được làm lạnh xuống tới 10 nK bởi một đội khoa học đứng đầu là Hanns-Christoph Nägerl thuộc trường Đại học Innsbruck ở Áo. Các trạng thái Efimov chỉ xảy ra với các nguyên tử là boson; nghĩa là các nguyên tử có giá trị spin nguyên chứ không phải bán nguyên.

Ba vật dính vào nhau, chứ hai vật thì không. (Ảnh: Shutterstock)

Một đặc điểm quan trọng của các trạng thái Efimov là tương tác giữa các nguyên tử là tương tác gần – nói cách khác, chúng được mô tả bởi một thế hút giảm nhanh hơn nghịch đảo bình phương của khoảng cách giữa các nguyên tử. Nếu thế năng có tầm tác dụng xa hơn, thì các phép tính của Efimov không áp dụng được và các trạng thái Efimov không tồn tại. Tất nhiên, nếu những thế tương tác xa này là mạnh, thì sẽ có một số vô hạn những trạng thái liên kết ba vật – nhưng đây không phải là các trạng thái Efimov.

Tuy nhiên, cho đến nay, người ta vẫn chưa rõ các trạng thái liên kết ba vật có tồn tại hay không khi mà thế năng yếu đến mức nó không thể kết hợp các cặp nguyên tử với nhau được. Cái Brett Esry và các đồng sự tại trường Đại học Kansas tìm thấy là các trạng thái liên kết gồm ba nguyên tử sẽ chỉ xảy ra khi chúng bị hút lẫn nhau bởi một thế nghịch đảo bình phương rất yếu. Đội khoa học đi tới kết luận này sau khi nghiên cứu các nghiệm số cho phương trình ba vật Schrödinger cho ba boson giống hệt nhau.

Sau đó, Esry và các đồng sự đã chuyển sự chú ý của họ sang các fermion và thu được một kết quả bất ngờ thứ hai. Khi spin của cả ba nguyên tử hướng cùng chiều nhau, thì trạng thái liên kết ba vật xuất hiện ngay cả khi từng cặp nguyên tử đẩy nhau ra.

Esry cho biết người ta có thể nhìn thấy những trạng thái mới đó trong các thí nghiệm trong phòng lab. “Biết rằng chúng là sự liên kết rất yếu – giống hệt như các trạng thái Efimov – nhưng các chất khí cực lạnh là ứng cử viên sáng giá nhất để nhìn thấy chúng,” ông nói. “Kịch bản có khả năng nhất để nhìn thấy các trạng thái của chúng tôi là trong một hỗn hợp gồm những nguyên tử boson nặng tương tác với các nguyên tử fermion nhẹ.”

Trong kịch bản này, các fermion tác dụng như những hạt trung chuyển lực trong một thế hút hiệu dụng nghịch đảo bình phương giữa các boson. Trong khi Esry tin rằng hiệu ứng trên có thể tự biểu hiện trong một chất khí gồm caesium boson tính và lithium fermion tính, nhưng những hệ ứng cử viên lí tưởng hơn sẽ có tỉ số khối lượng lớn hơn giữa boson và fermion. Những hệ khả dĩ bao gồm ytterbium–hydrogen hay erbium–hydrogen, mặc dù Esry cho rằng hydrogen rất khó hoạt động với nên có lẽ chọn fermion là lithium thì tốt hơn.

Nägerl cho biết ông “không hề trông đợi” kết quả này, sự bất ngờ là rất lớn. Tuy nhiên, Nägerl tin rằng có lẽ việc thuyết phục các nhà thực nghiệm theo đuổi xác nhận kết quả lí thuyết trên là chuyện không đơn giản vì thách thức trong việc tạo ra và nghiên cứu một kết hợp boson-fermion là không hề nhỏ.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

123physics – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp