Bí ẩn lượng tử của vật chất kỳ lạ supersolid được khám phá

Hình ảnh của “supersolid”, loại vật chất với cấu trúc rắn mà vẫn có thể chảy như lỏng. Ảnh: popsci.com.

Phát hiện này cung cấp chứng cứ trực tiếp về tính chất đặc biệt của loại vật chất vừa rắn vừa lỏng, mở ra hiểu biết mới mẻ về các hiện tượng lượng tử.

Trong cuộc sống thường ngày, chúng ta quen thuộc với bốn trạng thái cơ bản của vật chất: rắn, lỏng, khí và plasma. Thế nhưng, các nhà vật lý học đã từ lâu nghiên cứu về các trạng thái khác thường, chỉ xuất hiện dưới những điều kiện cực kỳ khắc nghiệt - như nhiệt độ siêu thấp gần tuyệt đối (-273,15 độ C) hoặc năng lượng rất cao. Ở những điều kiện này, vật chất bắt đầu thể hiện các tính chất rất khác so với môi trường tự nhiên mà chúng ta thường thấy.

Chất lỏng như nước hay gas có độ nhớt khác nhau, tức là có mức độ cản trở khác nhau đối với chuyển động của chúng. Chẳng hạn, mật ong có độ nhớt cao hơn nhiều so với nước. Tuy nhiên, siêu lỏng (superfluid) - một dạng vật chất được làm lạnh cực độ - lại không có độ nhớt, cho phép nó chảy mà không gặp cản trở nào, khiến cho nó chảy mãi mà không ngừng lại. Nếu khuấy siêu lỏng trong một chiếc cốc, nó sẽ tiếp tục chảy mà không hề ngừng.

Hơn 50 năm trước, các nhà vật lý đã đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của một dạng vật chất gọi là “supersolid”. Đây là loại vật chất có đặc điểm của cả chất rắn và siêu lỏng, cho phép một số nguyên tử di chuyển qua cấu trúc tinh thể cứng mà không bị cản trở, giống như trạng thái vừa chảy vừa giữ được cấu trúc rắn.

Các nghiên cứu trước đây đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để quan sát các cấu trúc tinh thể bên trong vật liệu supersolid. Tuy nhiên, cách thức vật chất này di chuyển vẫn là một bí ẩn, cho đến khi một nghiên cứu mới do nhà vật lý Francesca Ferlaino từ Đại học Innsbruck (Áo) dẫn đầu, được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 6/11 vừa qua.

Nhóm nghiên cứu của Ferlaino đã thành công trong việc kích động sự chuyển động trong một supersolid và ghi lại hình ảnh của các xoáy nhỏ, gọi là “xoáy lượng tử” - dấu hiệu tiêu biểu của tính chất siêu lỏng. Ferlaino chia sẻ: "Hãy tưởng tượng bạn có một cốc cà phê và nhẹ nhàng khuấy bằng thìa. Bạn sẽ thấy cà phê xoáy quanh tâm cốc, và nếu quan sát kỹ, bạn sẽ nhận thấy một xoáy nhỏ ở giữa nơi chất lỏng quay nhanh nhất. Đây là một ví dụ về xoáy trong chất lỏng thông thường".

Nhưng khi thử thay cà phê bằng chất siêu lỏng, điều gì sẽ xảy ra? Ferlaino cho biết: "Nếu bạn khuấy từ từ, bạn sẽ ngạc nhiên khi thấy chất siêu lỏng không xoay theo thìa - nó đứng yên như thể không bị ảnh hưởng. Nhưng nếu bạn khuấy nhanh hơn, thay vì chỉ tạo ra một xoáy lớn ở trung tâm, hàng loạt xoáy nhỏ, gọi là xoáy lượng tử, sẽ xuất hiện một cách kỳ diệu".

Những xoáy lượng tử này giống như các lỗ nhỏ trong chất lỏng, mỗi xoáy xoay ở một tốc độ nhất định. Ferlaino giải thích: "Thay vì tụ lại một chỗ, chúng hình thành các mẫu hình đều đặn và đẹp mắt trên bề mặt siêu lỏng, giống như những lỗ trống trên miếng phô mai Gruyère, nhưng hoàn toàn có trật tự".

Theo các nhà nghiên cứu, phát hiện này không chỉ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về trạng thái supersolid, mà còn mở ra khả năng mô phỏng các hiện tượng chỉ xảy ra trong những điều kiện cực kỳ khắc nghiệt, chẳng hạn như bên trong lõi các sao neutron - nơi có mật độ vật chất cực kỳ cao khi các ngôi sao này phát nổ thành siêu tân tinh. Họ cho rằng sự thay đổi tốc độ quay của sao neutron có thể liên quan đến các xoáy lượng tử siêu lỏng bị mắc kẹt bên trong các lõi này.