Nghe có vẻ như là một địa ngục băng giá, nhưng lần đầu tiên các nhà vật lí đã tạo ra được một chất khí nguyên tử có nhiệt độ dưới không độ tuyệt đối. Kĩ thuật của họ mở đường cho sự phát triển những chất liệu Kelvin âm và những dụng cụ lượng tử mới, và có thể còn giúp giải quyết một bí ẩn vũ trụ học.
Nam tước Kelvin đã định nghĩa thang đo nhiệt độ tuyệt đối hồi giữa thế kỉ 19 theo nghĩa là không có cái gì có thể lạnh hơn không độ tuyệt đối. Sau đó các nhà vật lí nhận ra rằng nhiệt độ tuyệt đối của một chất khí liên quan với năng lượng trung bình của các hạt của nó. Độ không tuyệt đối tương ứng với trạng thái lí thuyết trong đó các hạt không có năng lượng gì hết, và những nhiệt độ cao hơn tương ứng với những năng lượng trung bình lớn hơn.
Tuy nhiên, vào thập niên 1950, các nhà vật lí nghiên cứu những hệ vật chất kì lạ hơn bắt đầu nhận ra rằng điều này không phải lúc nào cũng đúng. Về phương diện kĩ thuật, bạn đọc ra nhiệt độ của một hệ từ một đồ thị vẽ xác suất của những hạt của nó được tìm thấy với những năng lượng nhất định. Thông thường, đa số các hạt có năng lượng trung bình hoặc gần-trung bình, chỉ có vài hạt ít ỏi chuyển động với những năng lượng cao hơn. Trên lí thuyết, nếu tình huống đó bị đảo ngược, với nhiều hạt có năng lượng cao hơn thay vì thấp hơn, thì đồ thị sẽ lật ngược lại và dấu của nhiệt độ sẽ đổi từ nhiệt độ tuyệt đối dương sang âm, theo giải thích của Ulrich Schneider, một nhà vật lí tại trường Đại học Ludwig Maximilian ở Munich, Đức.
Schneider và các đồng sự của ông đã đạt tới nhiệt độ dưới không độ tuyệt đối như thế với một chất khí lượng tử cực lạnh gồm những nguyên tử potassium (kalium). Sử dụng laser và từ trường, họ đã giữ từng nguyên tử trong một cấu hình kiểu mạng lưới. Ở nhiệt độ dương, các nguyên tử đẩy nhau, làm cho cấu hình bền. Sau đó đội nghiên cứu điều chỉnh nhanh từ trường, làm cho các nguyên tử hút nhau thay vì đẩy nhau. “Thay đổi này bất ngờ làm chuyển dịch các nguyên tử từ trạng thái bền nhất, năng lượng thấp nhất của chúng sang trạng thái năng lượng khả dĩ cao nhất, trước khi chúng có thể phản ứng,” Schneider nói. “Nó tựa như là đang đi qua một thung lũng, và bất ngờ nhận thấy bạn ở trên đỉnh núi.”
Nhiệt độ phụ thuộc vào phân bố năng lượng.
Ở nhiệt độ dương, một sự đảo ngược như thế sẽ là không bền và các nguyên tử sẽ suy sụp vào bên trong. Nhưng đội khoa học còn điều chỉnh trường laser bẫy để làm cho các nguyên tử dính vào vị trí của chúng. Kết quả này, công bố trên tạp chí Science, đánh dấu sự chuyển trạng thái của chất khí từ ngay trên không độ tuyệt đối xuống vài phần tỉ của một Kelvin dưới không độ tuyệt đối.
Wolfgang Ketterle, một nhà vật lí giành Giải Nobel tại Viện Công nghệ Massachusetts ở Cambridge, người trước đây đã chứng minh nhiệt độ tuyệt đối âm trong một hệ từ tính, đã gọi kết quả mới trên là một “thành tựu thực nghiệm”. Các trạng thái năng lượng cao kì lạ khó tạo ra trong phòng thí nghiệm ở nhiệt độ dương trở nên bền ở nhiệt độ tuyệt đối âm – “như thể bạn có thể đứng trên đỉnh kim tự tháp mà không lo nó bị đỗ,” ông nói – và những kĩ thuật như thế có thể cho phép những trạng thái này được nghiên cứu chi tiết. “Đây có thể là một cách tạo ra những dạng mới của vật chất trong phòng thí nghiệm,” Ketterle bổ sung thêm.
Nếu được tạo ra, những hệ như vậy sẽ hành xử theo những kiểu kì lạ, theo Achim Rosch, một nhà vật lí lí thuyết tại trường Đại học Cologne ở Đức, người đã đề xuất kĩ thuật mà Schneider và đội của ông thực hiện. Chẳng hạn, Rosch và các đồng sự của ông đã tính được rằng trong khi những đám mây nguyên tử thông thường bị hút xuống dưới bởi lực hấp dẫn, nhưng nếu một phần đám mây ở nhiệt độ tuyệt đối âm, thì một số nguyên tử sẽ chuyển động lên phía trên, rõ ràng kháng lại lực hấp dẫn.
Một nét đặc biệt nữa của chất khí dưới không độ tuyệt đối là nó na ná ‘năng lượng tối’, lực bí ẩn đẩy Vũ trụ giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh kháng lại lực hút hấp dẫn hướng vào trong. Schneider lưu ý rằng các nguyên tử hút nhau trong chất khí mà đội khoa học vừa tạo ra cũng muốn co sụp vào bên trong, nhưng không xảy ra bởi vì nhiệt độ tuyệt đối âm làm chúng cân bằng. “Cái thú vị là đặc điểm kì lạ này xảy ra trong Vũ trụ và cũng xảy ra trong phòng thí nghiệm,” ông nói. “Đây có lẽ là cái các nhà vũ trụ học nên xem xét kĩ lưỡng hơn.”
Tham khảo: doi:10.1038/nature.2013.12146
Nguồn: Nature
