Hãy quên chất rắn, chất lỏng và chất khí đi: thật ra có đến hơn 500 pha của vật chất. Trong một bài báo mới công bố trên tạp chí Science, nhà khoa học tại Viện Perimeter, Xiao-Gang Wen, trình bày một sự phân loại lại hiện đại của tất cả các pha. Sử dụng toán học hiện đại, Wen và các cộng sự đã nêu ra một hệ thống mới có thể phân loại thành công những pha bảo toàn đối xứng của vật chất. Hệ thống phân loại mới của họ sẽ cung cấp kiến thức sâu sắc về những pha lượng tử này của vật chất, cái hóa ra có thể tăng cường khả năng của chúng ta thiết kế những pha mới của vật chất để dùng trong công nghệ siêu dẫn hoặc máy tính lượng tử. Bài báo khảo sát thế giới rắc rối và đầy lí thú của sự vướng víu lượng tử, và là một bước quan trọng hướng đến một sự phân loại lại hiện đại của tất cả các pha của vật chất.
Ngành vật lí vật chất ngưng tụ thường phân loại các pha theo cách mà những viên gạch cấu trúc của chúng – các nguyên tử - được sắp xếp. Chìa khóa quan trọng là cái được gọi là sự đối xứng.
Hình minh họa một mạng lưới ánh sáng và electron.
Để hiểu sự đối xứng, hãy tưởng tượng bạn đang bay trong nước lỏng trong một phi thuyền nhỏ không thể tưởng tượng nổi: các phân tử sẽ chuyển động xoáy ngẫu nhiên xung quanh bạn và mọi hướng sẽ là như nhau. Thuật ngữ khoa học gọi đây là đối xứng, và các chất lỏng có tính đối xứng cao. Tinh thể băng, một pha khác của nước, thì kém đối xứng hơn. Nếu bạn bay trong băng theo kiểu giống như vậy, bạn sẽ thấy những hàng cấu trúc kết tinh băng qua đều đều giống như xà rầm của một tòa nhà chọc trời vô tận. Những góc nhất định sẽ cho bạn những tầm nhìn khác nhau. Những đường đi nhất định bị chặn lại, còn những đường khác thì rộng mở. Băng có nhiều đối xứng – mỗi “tầng” và mỗi “phòng” sẽ trông giống nhau chẳng hạn – nhưng các nhà vật lí nói rằng tính đối xứng cao của nước lỏng đã bị phá vỡ.
Phân loại các pha của vật chất bằng cách mô tả những đối xứng của chúng, nơi và cách những đối xứng đó bị phá vỡ được gọi là mô hình Landau. Không gì hơn là cách sắp xếp các pha của vật chất thành một biểu đồ, lí thuyết Landau là một công cụ mạnh vừa chỉ dẫn cho các nhà khoa học khám phá ra những pha mới của vật chất, vừa giúp họ nắm bắt hành trạng của những pha đã biết. Các nhà vật lí hài lòng với lí thuyết Landau trong suốt một thời gian dài đến mức họ tin rằng toàn bộ các pha của vật chất có thể mô tả bằng các đối xứng. Đó là lí do tại sao lại là một dịp mở rộng tầm mắt khi họ phát hiện ra một vài pha mà lí thuyết Landau không thể mô tả được.
Bắt đầu vào thập niên 1980, các nhà nghiên cứu vật chất ngưng tụ, trong đó có Xiao-Gang Wen, đã nghiên cứu những hệ lượng tử mới trong đó vô số trạng thái cơ bản tồn tại với đối xứng giống nhau. Wen trình bày rằng những trạng thái mới đó có chứa một loại trật tự mới: trật tự tô pô học. Trật tự tô pô học là một hiện tượng cơ lượng tử: nó không liên quan đến sự đối xứng của trạng thái cơ bản, mà thay vào đó nó liên quan đến tính chất chung của hàm sóng của trạng thái cơ bản. Vì thế, nó nằm ngoài mô hình Landau, lí thuyết vốn xây dựng trên những khái niệm vật lí cổ điển.
Trật tự tô pô học là một nhận thức khái quát hơn của của các pha lượng tử và những chuyển tiếp giữa chúng. Trong khuôn khổ mới, các pha của vật chất được mô tả không phải bởi những kiểu đối xứng ở trạng thái cơ bản, mà bởi kiểu của một tính chất lượng tử rõ ràng – sự vướng víu. Khi hai hạt bị vướng víu, những phép đo nhất định tiến hành trên một hạt lập tức ảnh hưởng đến hạt kia, cho dù hai hạt ở xa nhau bao nhiêu chăng nữa. Kiểu của những hiệu ứng lượng tử như thế, không giống như kiểu vị trí nguyên tử, không mô tả được bởi sự đối xứng của chúng. Nếu bạn mô tả một thành phố là một trạng thái có trật tự tô pô nhìn từ buồng lái của phi thuyền nhỏ không thể tưởng tượng nổi của bạn, thì bạn không còn mô tả được những xà rầm và những tòa nhà tinh thể mà bạn đi qua, nhưng bạn mô tả được những kết nối vô hình giữa chúng với nhau – nói ví von là giống như bạn mô tả một thành phố bằng luồng thông tin chạy trong hệ thống điện thoại của nó.
Sự mô tả khái quát hơn như thế này của vật chất do Wen và các đồng sự phát triển có sức mạnh lớn – nhưng có một vài pha chưa chịu khớp. Đặc biệt, có một tập hợp gồm những pha vướng víu tầm ngắn không phá vỡ đối xứng, cái gọi là những pha tô pô bảo toàn đối xứng. Ví dụ của những pha bảo toàn đối xứng là một số chất siêu dẫn tô pô học và chất cách điện tô pô học, chúng đang thu hút sự quan tâm rộng rãi hiện nay vì chúng tỏ ra có triển vọng trong thế hệ đầu tiên sắp xuất hiện của các linh kiện điện tử lượng tử.
Trong bài báo đăng trên tạp chí Science, Wen và các cộng sự tiết lộ một hệ thống mới, cuối cùng, có thể phân loại thành công những pha bảo toàn đối xứng này.
Nguồn: PhysOrg.com
