Các nhà khoa học Mỹ và Trung Quốc tìm ra trạng thái thứ 5 của vật chất

Họ gọi đó là trạng thái lỏng-bose bất đối xứng (ngưng tụ Bose hay BEC là một trạng thái vật chất của khí boson loãng bị làm lạnh đến nhiệt độ rất gần độ không tuyệt đối -273,15 độ C. Dưới những điều kiện này, một tỷ lệ lớn các boson tồn tại ở trạng thái lượng tử thấp nhất, tại điểm mà các hiệu ứng lượng tử trở lên rõ rệt ở mức vĩ mô) và với mọi sự sắp xếp mới của các hạt mà chúng ta khám phá ra, nó có thể cho chúng ta biết nhiều hơn về kết cấu và cơ chế của Vũ trụ xung quanh chúng ta – và đặc biệt, ở thế giới lượng tử siêu nhỏ.

Các trạng thái của vật chất mô tả cách các hạt có thể tương tác với nhau, tạo ra các cấu trúc và các cách phản ứng khác nhau. Khi các nguyên tử bị “khóa” tại chỗ, bạn có chất ở dạng rắn. Khi “cởi trói” cho chúng, bạn có chất ở dạng lỏng hoặc khí. Khi ép các các hạt cơ bản phá vỡ liên kết và tách xa nhau, bạn có trạng thái plasma (Plasma là một trạng thái vật chất trong đó một chất khí bị ion hóa trở nên dẫn điện cao đến mức điện trường và từ trường tầm xa chi phối hoạt động của vật chất. Trạng thái plasma có thể tương phản với các trạng thái khác: rắn, lỏng và khí. Plasma là một môi trường trung hòa về điện của các hạt âm và dương không liên kết tức là tổng điện tích của plasma gần như bằng không).

Bối cảnh lượng tử cung cấp những cách thậm chí còn kỳ lạ hơn để các hạt tương tác, cho phép các hành vi độc đáo được mô tả tốt nhất về khả năng và năng lượng.

Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra trạng thái mới thông qua một hệ thống lượng tử bất ổn. Nói một cách đơn giản, đó là một hệ thống có các ràng buộc tích hợp ngăn các hạt tương tác như chúng thường xảy ra (do đó gây ra sự bất ổn).

Những hạn chế này – và kết quả là sự bất ổn – có thể tạo ra những kết quả thú vị cho các nhà khoa học. Ở đây, các nhà nghiên cứu tập trung vào các electron và sử dụng phép loại suy của một trò chơi bữa tiệc để giải thích điều gì đang xảy ra.

Nhà vật lý về vật chất ngưng tụ Tigran Sedrakyan từ Đại học Massachusetts Amherst cho biết: “Nó giống như trò chơi tranh ghế, được thiết kế để làm nản lòng các electron. Thay vì mỗi electron có một chiếc ghế để đi tới, giờ đây chúng phải tranh giành và có nhiều khả năng ở nơi chúng ngồi”.

Để làm như vậy, nhóm các nhà khoa học, bao gồm các nhà vật lý lý thuyết Rui Wang và Baigeng Wang (cả hai đều thuộc Đại học Nam Kinh) cũng như các nhà vật lý thực nghiệm Lingjie Du (Đại học Nam Kinh) và Rui-Rui Du (Đại học Bắc Kinh) đã thiết kế một thí nghiệm có khả năng đo chuyển động của các electron khi chúng chạy đua giành ghế.

Hệ thống mà các nhà nghiên cứu kết hợp lại là một thiết bị bán dẫn có hai lớp: lớp trên cùng chứa nhiều electron và lớp dưới cùng có nhiều ô trống sẵn có để các electron di chuyển vào một cách tự nhiên nhưng không có đủ ô trống cho tất cả các electron.

Mặc dù loại hệ thống này vẫn còn khó quan sát, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một từ trường cực mạnh để đo cách các electron di chuyển, hé lộ bằng chứng đầu tiên về trạng thái lỏng bose bất đối xứng mới.

Nhà vật lý Lingjie Du cho biết: “Ở rìa của lớp bán dẫn kép, các electron và ô trống di chuyển với cùng vận tốc. Điều này dẫn đến sự vận chuyển giống như xoắn ốc, có thể được điều chỉnh thêm bởi từ trường bên ngoài khi các kênh electron và ô trống dần dần được tách ra dưới các trường cao hơn".

Trạng thái mới này tiết lộ một số thuộc tính khá thú vị. Chẳng hạn, các electron sẽ đóng băng theo mô hình có thể dự đoán được và hướng quay cố định (spin) ở 0 độ tuyệt đối (-273,15 độ C) và không thể bị can thiệp bởi các hạt hoặc từ trường khác. Sự ổn định đó có thể có ứng dụng trong các hệ thống lưu trữ kỹ thuật số ở cấp độ lượng tử.

Hơn nữa, các hạt bên ngoài ảnh hưởng đến một electron có thể ảnh hưởng đến tất cả các electron trong hệ thống, nhờ vào hiện tượng liên đới lượng tử. Thông thường, các hạt trong bất kỳ hệ thống nào va chạm vào nhau và khi làm như vậy, chúng gây ra các hiệu ứng có thể đoán trước được, giống như các quả bóng bi-a va vào nhau và có thể đoán trước đường đi của bóng sau đó. Nói cách khác, các hiệu ứng và các hạt có tương quan với nhau. Nhưng trong một hệ lượng tử bất ổn, có vô số khả năng bắt nguồn từ sự tương tác của các hạt— giống như khi quả bóng bi-a chạm vào nhau thì chúng bay lên hoặc văng đi ở một góc độ không thể đoán được. Chính khả năng vô hạn này trong hệ lượng tử bất ổn có thể dẫn đến các trạng thái lượng tử mới lạ.

Mặc dù tất cả điều này đều liên quan đến kiến thức vật lý cấp cao, nhưng mỗi khám phá như thế này – những trường hợp kỳ quặc và khó hiểu này xảy ra bên ngoài ranh giới của các tương tác hạt phổ biến – giúp chúng ta tiến gần hơn đến sự hiểu biết đầy đủ về thế giới của mình.

Sedrakyan nói: “Bạn tìm thấy các trạng thái lượng tử của vật chất nằm ngoài các ranh giới này và chúng kỳ lạ hơn nhiều so với ba trạng thái cổ điển mà chúng ta gặp trong cuộc sống hằng ngày”.