Những cấu trúc kì lạ gọi là “tinh thể không-thời gian” có thể sớm trở thành thực tế, nhờ một nghiên cứu mới được thực hiện bởi một nhóm nhà vật lí hợp tác ở Mĩ và Trung Quốc. Phát triển ý tưởng đặt ra bởi nhà vật lí lí thuyết Frank Wilczek thuộc Viện Công nghệ Massachusetts ở Mĩ, các nhà nghiên cứu trên đã chứng minh làm thế nào một tinh thể gồm những ion bị bẫy có thể quay liên tục, ngay cả khi ở trạng thái năng lượng thấp nhất của nó, cho phép nó phá vỡ đối xứng thời gian lẫn đối xứng không gian.
Những tinh thể bình thường gồm những nguyên tử hay phân tử sắp xếp trong những cấu trúc 3D có trật tự, chúng hình thành dưới một nhiệt độ nhất định để giảm thiểu thế năng bên trong chất liệu. Các nguyên tử carbon trong kim cương, chẳng hạn, chịu một lực hút ở cự li xa nhưng chịu một lực đẩy ở cự li gần hơn, nghĩa là năng lượng của chúng là nhỏ nhất khi chúng cách nhau xấp xỉ khoảng cách trung bình giống nhau. Trái lại, ở nhiệt độ cao, các nguyên tử trong một tinh thể có thể tồn tại trong trạng thái kém trật tự nhiều hơn trong trạng thái trật tự và nếu sự kém trật tự chiếm ưu thế, thì nó làm cho chất liệu tan chảy. “Các tinh thể là một thắng lợi của năng lượng so với entropy,” Wilczek nói.
(Ảnh: iStockphoto/M-X-K)
Phá vỡ đối xứng thời gian
Wilczek đi tới khái niệm “tinh thể thời gian” sau khi tự nghĩ không biết một chất liệu ở những nhiệt độ thấp có thể được cấu trúc trong thời gian, thay vì không gian hay bổ sung thêm cho nó hay không. Một tinh thể bình thường được cho là phá vỡ đối xứng không gian khi các hạt thành phần của nó sắp thẳng theo những hướng nhất định, thay vì phân bố không gian đều đặn (như cái xảy ra ở nhiệt độ cao). Tương tự như vậy, sự phá vỡ đối xứng thời gian có nghĩa là một vật hay một tập hợp hạt chịu một loại biến đổi có hệ thống nào đó trong thời gian. Như Wilczek trình bày, điều này đúng với các hành tinh trong hệ mặt trời cũng như các đồng hồ, chẳng hạn. Nhưng đây là những hệ được đưa vào trạng thái chuyển động bởi một loại nguồn năng lượng bên ngoài nào đó và cuối cùng sẽ dừng lại. Wilczek tự hỏi không biết chuyển động có thể xảy ra trong những hệ cô lập tồn tại ở trạng thái cơ bản của chúng hay không.
Ông thừa nhận quan điểm này “gần đến mức nguy hiểm” với quan điểm một cỗ máy chuyển động vĩnh cửu. Ông trình bày rằng, ở trạng thái cơ bản của chúng, những hệ như vậy không thể sử dụng để sinh công có ích. Tuy nhiên, chúng sẽ cần năng lượng để dừng lại. “Chúng sẽ tạo ra một dạng chuyển động vĩnh cửu,” ông nói, “đó là cái hơi rờn rợn khi nói với một người có chút danh tiếng trong ngành vật lí”.
Gát những dè dặt sang một bên, Wilczek nhận ra rằng các chất siêu dẫn tiến gần đến hoạt động theo kiểu này, vì chúng tồn tại ở trạng thái thấp nhất của chúng nhưng truyền đi một dòng điện. Tuy nhiên, chúng không đạt tới vì dòng điện đó không thay đổi theo thời gian. Để biến một chất siêu dẫn thành một tinh thể thời gian, Wilczek đề xuất làm biến thiên một siêu dòng để gây cho nó một cực đại nhất thời rồi, khi truyền xung quanh vòng siêu dẫn, cực đại đó sẽ na ná như “một con chuột chạy trong bụng một con rắn”. Ông tìm thấy trên phương diện toán học rằng một kế hoạch như vậy thật ra là có thể, và động năng hữu hạn của hệ là có thể vì nó có từ một sự suy giảm nhiều hơn ở thế năng của hệ.
Bẫy ion
Tuy nhiên, Xiang Zhang và Tongcang Li thuộc trường Đại học California, Berkeley, và các đồng sự nghĩ rằng kế hoạch đặc biệt này sẽ khó triển khai trên thực tế vì nó đòi hỏi các hạt tích điện cùng dấu hút lẫn nhau để tạo ra cực đại ở dòng điện. Thay vậy, đề xuất của họ là bẫy các ion ở những nhiệt độ rất thấp và khai thác lực đẩy tương hỗ của chúng để chúng tự sắp xếp thành hình vòng. Cái vòng này, Li giải thích, sẽ giống như một tinh thể thông thường. Khi đó, bằng cách tác dụng một từ trường với những giá trị nhất định trên cái vòng, cái vòng có thể quay liên tục ở trạng thái năng lượng thấp nhất của nó – nói cách khác, ông nói, nó sẽ trở thành một tinh thể không-thời gian.
Li cho biết thách thức chủ yếu trong việc chế tạo ra một dụng cụ như vậy sẽ là việc làm lạnh các ion trong những cái bẫy đủ nhỏ xuống tới những nhiệt độ thấp vừa đủ. Ông và các đồng sự của mình tính được rằng để tạo ra một tinh thể không-thời gian có bề ngang một phần mười của một millimet sẽ cần 100 ion beryllium được làm lạnh xuống tới nhiệt độ một phần tỉ của một kelvin, với những cái vòng lớn hơn đòi hỏi nhiệt độ còn thấp hơn nữa.. Nhưng ông chắc chắn rằng yêu cầu kĩ thuật này có thể được đáp ứng, hoặc bởi nhóm của ông hoặc bởi những nhóm khác. “Vấn đề đó có thể khắc phục trong tương lai gần với sự phát triển của các công nghệ bẫy ion,” ông nói. Ông cho biết thêm rằng chính xác khi nào làm được như vậy là còn “tùy thuộc vào ngân quỹ và nhiều yếu tố khác”.
Zhang tin rằng, một khi được chế tạo, một dụng cụ như vậy có thể “mang lại một hướng mới cho việc khảo sát bài toán vật lí nhiều vật và những tính chất đang xuất hiện của vật chất” và có thể còn cải thiện kiến thức của chúng ta về sự phá vỡ đối xứng, ví dụ như cái được tin là đã mang khối lượng đến cho các hạt khi vũ trụ giãn nở và lạnh đi.
Wilczek mô tả đề xuất ion bẫy như thế là “hấp dẫn hơn và chuyên nghiệp hơn” kế hoạch của ông. Ông cũng cho rằng các tinh thể không-thời gian có thể có những ứng dụng thực tế, mặc dù hiện nay không rõ đó là những ứng dụng nào. “Nghiên cứu này đang khảo sát những trạng thái mới của vật chất,” ông nói, “và có thể dẫn tới những hướng nghiên cứu bất ngờ”.
Bài báo trên có bản thảo trên website arXiv (arXiv:1206.4772v1).
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
