Trạng thái siêu rắn có thể chỉ là một hiệu ứng dẻo lượng tử

Nó là một trong những thứ kì lạ nhất mà cơ học lượng tử tiên đoán: một chất rắn chảy, giống như ma quỷ, qua chính nó. Nếu điều đó chưa đủ khiến đầu óc bạn u ám đi, thì các thí nghiệm khẳng định để có “siêu chất rắn” này thật ra có thể thu được theo một số cách hoàn toàn khác nhau.

“Chúng tôi vẫn không hiểu hiện tượng trên. Nó là cái gì đó mới mẻ”, phát biểu của John Reppy, thuộc trường Đại học Cornell ở Ithaca, New York, người khẳng định đã thoáng thấy hiệu ứng mới đó, đặt tên là tính dẻo lượng tử (quantum plasticity).

alt

John D Reppy

Trong một chất rắn, các nguyên tử liên kết với nhau trong một mạng lưới đều đặn, giữ cho cấu trúc của chúng rắn chắc dưới những điều kiện nhất định. Nhưng ở những nhiệt độ nhất định, sự siêu rắn được cho là xảy ra. Làm lạnh một số chất rắn đến gần không độ tuyệt đối, thì chúng sẽ trở nên không ma sát và chảy giống như một chất lỏng, trong khi vẫn giữ được cấu trúc mạng của chúng.

Năm 2004, Moses Chan và Eun-Seong Kim, khi đó tại trường Đại học Bang Pennsylvania và Đại học Park, khẳng định đã tạo ra được một chất siêu rắn bằng cách làm lạnh một bình trụ helium-4 đến sát không độ tuyệt đối.

Họ đặt bình trụ đó cho nó dao động xung quanh một trục ở giữa – quay một quãng đường ngắn theo một hướng và sau đó xoắn trở lại theo hướng kia. Khi họ hạ nhiệt độ của helium xuống, Chan và Kim lưu ý thấy bình trụ dao động chậm đi. Họ giả định đây là do sự giảm tỉ lệ helium rắn đang quay so với bình trụ. Vì ma sát là nguyên nhân làm cho helium bên trong bình trụ quay khi bình trụ tự quay, nên các nhà nghiên cứu gán cho sự giảm này một sự giảm ma sát của helium. Họ kết luận rằng hiệu ứng siêu rắn có thể giữ vai trò ở những nhiệt độ thấp.

Trong khi các kết quả của Chan và Kim được tái dựng lại, thì Reppy cho biết cách giải thích của họ có thể là sai lầm. Để khảo sát thêm về sự siêu rắn, ông đã thêm một cái màng dẻo lên trên bình trụ để cho phép ông nén helium, tạo ra “các khiếm khuyết” bổ sung trong cấu trúc mạng của nó. Những thí nghiệm trước đó gợi ý rằng điều này có thể làm tăng thêm sự siêu rắn, nhưng Reppy nhận thấy không có bằng chứng của hiệu ứng này.

Ngoài ra, ông nhận thấy khi ông tăng nhiệt độ lên trên 200 mK, thì tần số của dao động giảm đi, mặc dù sự chuyển tiếp sang trạng thái siêu rắn không được cho là xảy ra ở những nhiệt độ này.

Ông kết luận rằng mối liên hệ giữa nhiệt độ và tần số dao động là một hiệu ứng lượng tử hoàn toàn mới, chứ không phải sự siêu rắn. Hiệu ứng mới này, Reppy nói, xảy ra do các khiếm khuyết cố hữu trong mọi chất rắn helium-4, làm thay đổi hành trạng của chúng ở những nhiệt độ khác nhau.

Reppy tính được khi nhiệt độ tăng lên, thì các khiếm khuyết trở nên linh động hơn, làm cho cấu trúc của helium kém rắn chắc hơn. “Sự chao đảo” này làm các dao động chậm đi. Vì nó khác với tính mềm thông thường và có khả năng là do các hiệu ứng lượng tử gây ra, nên hiện tượng trên được gọi là tính dẻo lượng tử. “Nó khác với tính dẻo thông thường”, Reppy nói.

Ông không bác bỏ sự tồn tại của tính siêu rắn nhưng ông cho rằng những người nói họ đã trông thấy nó thật ra có thể họ đã quan sát thấy tính dẻo lượng tử.

Kim, hiện làm việc tại KAIST ở Daejeon, Hàn Quốc, bác bỏ quan điểm cho rằng ông và Chan đã giải thích sai các kết quả của họ, nhưng ông nhận thấy các kết quả của Reppy thật hấp dẫn.