Các nguyên tử cực lạnh làm sáng tỏ những hiệu ứng lượng tử mới bất ngờ

Các nhà vật lí tại trường Đại học Công nghệ Vienna đã nghiên cứu sự chuyển tiếp của những hệ lượng tử về trạng thái cân bằng nhiệt. Họ phát hiện ra một trạng thái trung gian bền bất ngờ giữa trật tự và hỗn loạn. Các kết quả công bố trên tạp chí Science.

Trên một con chip nguyên tử (trên), những đám mây nguyên tử cực lạnh (màu đỏ) được tạo ra. Chúng được phép giao thoa, tạo ra một hệ vân giao thoa sóng vật chất có trật tự (dưới). Ảnh: Đại học Công nghệ Vienna

Hàng ngày chúng ta vẫn thấy những hệ đang nhiệt hóa: Những cục nước đá trong một thùng nước nóng sẽ tan ra và không bao giờ còn bền nữa. Các phân tử nước đá và các phân tử nước sẽ đạt tới sự cân bằng nhiệt, kết thúc với nhiệt độ bằng nhau. Những tinh thể nước đá có trật tự đã chuyển thành một chất lỏng mất trật tự.

Các thí nghiệm tại Trung tâm Khoa học và Công nghệ Lượng tử Vienna (VCQ) thuộc trường Đại học Công nghệ Vienna cho thấy trong thế giới lượng tử sự chuyển tiếp về trạng thái cân bằng nhiệt còn hấp dẫn hơn và phức tạp hơn trước đây người ta vẫn nghĩ.

Giữa một trạng thái ban đầu trật tự và một trạng thái cuối hỗn hợp thống kê, một cái gọi là “trạng thái trung gian giả bền” có thể xuất hiện. Trạng thái trung gian này biểu hiện một số tính chất giống như cân bằng, nhưng một số trật tự đặc trưng của trạng thái ban đầu vẫn có thể nhìn thấy trong một thời gian dài đáng kể.

Hiện tượng này được gọi là “sự tiền-nhiệt hóa”. Sự tiền-nhiệt hóa đã được tiên đoán có vai trò lớn trong nhiều quá trình không cân bằng khác nhau trong vật lí lượng tử. Ví dụ, nó có thể giúp chúng ta tìm hiểu trạng thái của vũ trụ sơ khai.

Để có một đám mây nguyên tử cực lạnh, đòi hỏi có một bố trí quang học phức tạp. Ảnh: Đại học Công nghệ Vienna

Những đám mây nguyên tử cực lạnh

“Trong các thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi bắt đầu với một chất khí lượng tử một chiều gồm những nguyên tử cực lạnh, một cái gọi là ngưng tụ Bose-Einstein, sau đó chúng nhanh chóng bị tách làm đôi bởi một chip nguyên tử,” giáo sư Jörg Schmiedmayer giải thích. Khi hai phần của ngưng tụ được nhập lại trực tiếp, chúng tạo ra một hệ vân giao thoa sóng vật chất có trật tự. “Hình dạng của hệ vân này cho chúng ta thấy rằng hai đám mây đó chưa quên rằng chúng có xuất xứ từ cùng một đám mây nguyên tử,” Jörg Schmiedmayer nói.

Trạng thái mới lạ giữa trật tự và cân bằng

Sau một thời gian nào đó, người ta trông đợi đám mây nguyên tử chia tách đó có xu hướng tiến về trạng thái cân bằng nhiệt. Khi càng có nhiều thời gian được phép trôi qua trước khi hai nửa của hệ nhập trở lại, sự trật tự nhìn thấy ở các vân giao thoa bị hủy mất. “Cái bất ngờ ở đây là trật tự đó không trực tiếp đạt tới một cực tiểu. Trước tiên, nó phân hủy nhanh, nhưng sau đó nó vẫn ở một trạng thái trung gian – cái gọi là trạng thái tiền-nhiệt hóa,” Michael Gring nói.

Nhóm của giáo sư Jörg Schmiedmayer đã nghiên cứu những thí nghiệm này trong vài năm qua. “Lúc đầu, chúng tôi không biết làm thế nào giải thích hiện tượng này. Các thí nghiệm phải được cải tiến và lí thuyết tương ứng cần được phát triển thêm,” Schmiedmayer nói. Khi hợp tác chặt chẽ với nhóm lí thuyết của giáo sư Eugene Demler tại trường Đại học Harvard, những kết quả bất ngờ đó nay đã được giải thích. “Sự mất trật tự quan sát thấy ở trạng thái trung gian đó không phụ thuộc vào nhiệt độ của trạng thái ban đầu. Nó được đưa vào hệ bởi các quy luật vật lí lượng tử khi đám mây nguyên tử bị tách làm đôi,” Schmiedmayer nói.

Biểu diễn 3D của hệ vân giao thoa với màu đỏ là mật độ nguyên tử cao, màu xanh mật độ thấp. Thời gian tăng từ dưới lên trên. Lúc đầu, ngay sau khi chia tách đám mây nguyên tử, các vân tạo nên những đường thẳng thể hiện sự trật tự cao trong hệ. Khi thời gian tăng lên, hình dạng hệ vân trở nên càng ngẫu nhiên hơn, biểu hiện sự mất thông tin. Ảnh: Đại học Công nghệ Vienna

Vật lí lượng tử

Sự chuyển tiếp của các hệ về trạng thái cân bằng nhiệt là quan trọng trong nhiều lĩnh vực vật lí lượng tử - nói chung, một thí nghiệm lượng tử không bao giờ có thể thực hiện ở nhiệt độ chính xác bằng không. Do đó, các nhà khoa học luôn luôn phải xử lí với các hiệu ứng do nhiệt độ.

Việc thực hiện tính toán hay lưu trữ dữ liệu trong một máy tính lượng tử chắc chắn tạo ra những trạng thái không cân bằng, chúng có xu hướng tiến về sự cân bằng nhiệt, làm hỏng mất trạng thái lượng tử đó.

Học từ những đám mây nguyên tử cực lạnh để tìm hiểu vũ trụ sơ khai?

Trạng thái trung gian mới lạ trên cũng có thể hấp dẫn đối với ngành vật lí plasma quark-gluon. Sau Big Bang một phần nhỏ của một giây, toàn bộ vật chất trong vũ trụ ở trong một trạng thái không cân bằng của plasma quark-gluon. Ngày nay, plasma quark-gluon được tạo ra trong những máy va chạm hạt khổng lồ. Những thí nghiệm plasma này cho thấy những phương diện nhất định của plasma đó có xu hướng tiến về một trạng thái cân bằng nhiệt nhanh hơn cái người ta vẫn nghĩ. Để giải thích hiện tượng này, “Sự tiền-nhiệt hóa” đã được đề xuất trong một khuôn khổ lí thuyết phát triển tại trường Đại học Heidelberg. Các nhà khoa học cho rằng lí thuyết này có thể liên hệ với một trạng thái trung gian, tương tự như trạng thái phát hiện ra trong những đám mây nguyên tử cực lạnh tại trường Đại học Công nghệ Vienna.

Chip nguyên tử. Ảnh: Đại học Công nghệ Vienna

Các quá trình đi cùng với sự phân hủy của một hệ lượng tử về trạng thái cân bằng nhiệt còn có thể cho chúng ta biết thêm về mối liên hệ giữa vật lí lượng tử và thế giới vĩ mô cổ điển. “Các đám mây nguyên tử của chúng tôi mang lại cho chúng tôi khả năng nghiên cứu sự giao cắt hấp dẫn từ những hệ không cân bằng về trạng thái cân bằng nhiệt một cách chi tiết,” Jörg Schmiedmayer nói. “Theo cách đó, chúng tôi hi vọng sẽ hiểu rõ hơn về những quá trình không cân bằng, chúng có mặt ở khắp nơi trong tự nhiên.”

Vì thí nghiệm trên, một loại chip nguyên tử đặc biệt đã được chế tạo tại Trung tâm Cấu trúc Micro và Nano tại trường Đại học Công nghệ Vienna (xem hình).

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: Đại học Công nghệ Vienna

Bài trước | Bài kế tiếp