Các trạng thái kỳ lạ của vật chất ít ai biết tới (P2)

Trong điều kiện tiêu chuẩn trên Trái Đất, chất rắn, chất lỏng và khí là phần lớn những gì chúng ta sẽ gặp trong cuộc sống. Nhưng điều đó không có nghĩa là không có nhiều trạng thái vật chất khác tồn tại. Sự phát triển của khoa học đã giúp chúng ta khám phá ra những trạng thái vật chất kỳ lạ khác, nằm ngoài khả năng suy nghĩ của ngay cả những người có trí tưởng tượng phong phú nhất. 

Tiếp theo Phần 1

4. Vật liệu nghịch từ có thể treo ổn định trong không gian

Trước hết chúng ta xem một video:

Năm 1933, Meissner và Ochsenfeld phát hiện ra hiện tượng các đường sức từ của từ trường bên ngoài bị đẩy ra khỏi chất nghịch từ khi làm lạnh những chất này đến trạng thái siêu dẫn. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Meissner, lý giải như sau:

Với các vật liệu nghịch từ bình thường, dòng điện bề mặt Foucault có xu hướng chống lại nguyên nhân sinh ra nó (trong trường hợp này là chuyển động tương đối giữa từ trường và vật liệu) sẽ yếu đi nhanh chóng do điện trở bên trong các vật liệu. Tuy nhiên vì vật liệu siêu dẫn không có điện trở, dòng Foucault sinh ra không bị suy giảm. Do đó từ trường phụ được tạo ra cũng không suy giảm và nó gần như hoàn toàn triệt tiêu từ trường bên ngoài trong bản thân vật liệu. Khi đó từ trường trong lòng chất siêu dẫn gần như bằng 0 và bị “đẩy” hoàn toàn ra ngoài. Điều này khiến cho các vật liệu siêu dẫn có thể lơ lửng trong không khí cách nam châm một đoạn.

Theo các nhà khoa học Israel, nếu vật liệu siêu dẫn đẩy hoàn toàn từ trường bên ngoài ra ngoài vật liệu, nó có thể bay lên, nhưng vị trí và quỹ đạo của nó sẽ không ổn định do nó luôn cố gắng bay lên để tránh các đường sức từ trường ngoài. Vật liệu siêu dẫn loại này được gọi là chất siêu dẫn loại I.

Với vật liệu siêu dẫn loại II, từ trường bên ngoài sẽ không hoàn toàn bị triệu tiêu, mà vẫn còn một lượng rất nhỏ các đường sức từ xuyên vào vật liệu. Và những đường sức từ bên trong vật liệu siêu dẫn này tồn tại dưới dạng hạt, đây là một hiện tượng của vật lý lượng tử. Những “hạt đường sức từ” này được gọi là fluxon hay còn được gọi là các xoáy lượng tử (quantum vortex), chúng hoạt động như những hạt lượng tử riêng lẻ.

Ở vị trí các “hạt đường sức từ” này, tính chất siêu dẫn của vật liệu bị phá hủy cục bộ. Bất kỳ chuyển động trong không gian nào của vật liệu siêu dẫn cũng khiến cho các “hạt đường sức từ” di chuyển. Để tránh việc các “hạt đường sức từ” di chuyển lung tung và phá hủy trạng thái siêu dẫn của toàn bộ vật liệu, vật liệu siêu dẫn sẽ tự khóa hay ghim chặt vị trí của nó trong không gian 3 chiều, qua đó giữ cho vị trí của các “hạt đường sức từ” thông không bị thay đổi. Nhờ đó mà bản thân vật liệu này có thể treo ổn định trong không gian 3 chiều.

Theo các nhà khoa học đến từ Đại học Tel Aviv, Israel, miếng vật liệu siêu dẫn được sử dụng trong video clip giới thiệu chỉ dày có 0,5 micromet. Nhưng nó có thể nâng một vật thể nặng hơn nó 70.000 lần. Có nghĩa là, một miếng vật liệu siêu dẫn loại II có đường kính 3 inch (7,62cm) và dày 2mm có thể nâng được một chiếc xe con nặng 1 tấn.

>> Treo lượng tử – công nghệ bay đột phá cho tương lai

5. Chất lỏng quay lượng tử

Ảnh trên là hình chụp một khối đá. Đó là một khoáng chất làm từ đồng được gọi là Herbertsmithite, được đặt theo tên của nhà khoáng vật học người Anh Herbert Smith. Nó có thể được tìm thấy ở Chile, Iran, Arizona và Hy Lạp. Nó không phải là một loại vật chất mới, nhưng nó liên quan đến một vấn đề.

Cơ học lượng tử giúp các nhà khoa học hiểu được nhiều lực cơ bản, như từ tính. Vật lý lượng tử xem xét các hạt hạ nguyên tử như electron và nghiên cứu cách chúng hoạt động. Những hạt này đều có một tính chất mà các nhà khoa học gọi là “spin”, tức mô-men lượng tử. Cơ chế quay này chỉ là khái niệm tương tự, vì các hạt không quay như quả bóng chày. Spin của các hạt hạ nguyên tử có thể làm cho mọi electron trong một vật thể hoạt động giống như một kim la bàn, và tất cả chúng chuyển động theo cùng một hướng.

Trong hầu hết các nam châm và từ trường, spin dẫn đến sự sắp xếp các electron và các nguyên tử ổn định cả khi có hay không có từ trường ngoài.

Dưới đây là ảnh mô tả moment từ của một số vật liệu (diamagnetic – nghịch từ, paramagnetic – thuận từ, ferromagnetic – sắt từ) khi được ở chế độ bình thường và khi được đặt trong một từ trường ngoài

Tuy nhiên đối với vật liệu chất lỏng quay lượng tử (Quantum Spin Liquids), còn được gọi là các  “nam châm thất vọng” (frustrated magnets), sự sắp xếp của các spin điện tử ngăn cản chúng tạo thành một liên kết có trật tự và do đó chúng sụp đổ thành một trạng thái dao động, giống như chất lỏng”, theo Lucy Clark, nhà Hóa học Vật liệu tại Trường Hóa học thuộc Đại học St. Andrews. Nó được gọi là chất lỏng quay lượng tử (quantum spin liquids), một thuật ngữ được nhà vật lý người Mỹ Philip Warren Anderson đặt ra lần đầu tiên vào năm 1972.

Bà Lucy Clark nói: “Trong chất lỏng quay lượng tử thực sự, các spin của điện tử không bao giờ thẳng hàng và tiếp tục dao động ngay cả ở nhiệt độ thấp nhất của độ không tuyệt đối, tại đó các spin ở các trạng thái từ tính khác của vật chất đã bị đóng băng.”  Được gọi là chất lỏng quay lượng tử, nhưng thật ra chúng không phải chất lỏng thực sự, mà chỉ có hướng của mô-men (spin) của chúng dao động như chất lỏng.

Các nhà khoa học đưa ra giả thuyết rằng trạng thái chất lỏng quay lượng tử tồn tại bên trong các lớp từ tính của các ion đồng. Một nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, có trụ sở tại Tennessee, lần đầu tiên cho thấy một chất lỏng quay lượng tử trong tự nhiên vào năm 2016.

6. Quark-Gluon Plasma

Quark-gluon plasma (QGP) là trạng thái vật chất lạ với niên đại lâu đời nhất được biết đến. QGP chỉ tồn tại tự nhiên trong vài phần triệu giây sau Vụ nổ lớn. Trong khoảng thời gian vô cùng nhỏ đó, toàn bộ vũ trụ như một “nồi súp” của hạt quark (các hạt hạ nguyên tử theo lý thuyết, mang theo điện tích nhỏ hơn điện tích nguyên tố) và các hạt gluon. Các hạt gluons được coi là chất hồ để “kết dính” các hạt quark lại với nhau.

Sau đó, vũ trụ bắt đầu nguội dần, và QGP biến thành proton và neutron, những hạt sau đó tạo ra mọi thứ vật chất tồn tại khác.

“Nó [QGP] được cho là tương ứng với trạng thái của vũ trụ ngay sau Vụ nổ lớn”, Quan Wang, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ của Đại học Kansas làm việc với nhóm nghiên cứu tại CERN, Tổ chức nghiên cứu hạt nhân châu Âu cho biết trong một thông cáo báo chí năm 2015. ” tương tác … trong plasma quark-gluon rất mạnh, giúp phân biệt plasma quark-gluon với trạng thái khí vốn được cho là có rất ít sự tương tác giữa các hạt cấu thành.”

Trong khi làm việc với CERN, Wang đã nghiên cứu vấn đề của QGP với Máy va chạm Hadron lớn, nó khiến các proton va chạm với hạt nhân chì ở năng lượng cao. Nhóm của ông đã có thể tạo lại QGP bằng cách làm tan chảy các proton thành một quả cầu lửa nhỏ, phân rã tất cả chúng về dạng ban đầu.

Nhóm của Wang có thể tạo lại QGP, nhưng điều này không có nghĩa là họ hiểu nó hoặc hiểu khả năng của nó.

Wang nói: “Mặc dù chúng tôi tin rằng trạng thái của vũ trụ khoảng một micro giây sau vụ nổ Big Bang bao gồm plasma quark-gluon, nhưng vẫn còn nhiều điều mà chúng tôi chưa hiểu đầy đủ về các đặc tính của plasma quark-gluon.”

“Một trong những bất ngờ lớn nhất của các phép đo trước đó tại Máy va chạm ion nặng tương đối tính tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven là trạng thái giống như chất lỏng của plasma quark-gluon. Có thể tạo ra plasma quark-gluon trong các va chạm chì và proton giúp chúng ta xác định rõ hơn các điều kiện cần thiết cho sự tồn tại của nó.”

>> Phản ứng hợp hạch quark tạo ra năng lượng gấp 8 lần hợp hạch hạt nhân

7. Siêu dẫn Tôpô

Tháng 8/2019, một nhóm các nhà vật lý từ Đại học New York, Đại học Buffalo và Đại học Wayne State công bố đã phát hiện ra một trạng thái vật chất mới, theo họ có khả năng tăng khả năng lưu trữ trong các thiết bị điện tử.

Javad Shabani, trợ lý giáo sư vật lý tại Đại học New York, cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi đã thành công trong việc tiết lộ bằng chứng thực nghiệm cho một trạng thái mới của vật chất – tính siêu dẫn tôpô. Trạng thái tôpô mới này có thể được điều khiển theo những cách vừa có thể tăng tốc độ tính toán trong điện toán lượng tử vừa tăng cường lưu trữ.”

Điện toán lượng tử cho phép máy tính thực hiện các phép tính nhanh theo cấp số nhân thông qua việc sử dụng cái được gọi là qubit: những tiến bộ được thực hiện dựa trên những điều cơ bản của bộ nhớ máy tính, hoặc bit.

>> Máy tính lượng tử là gì và vì sao nó có khả năng tính toán siêu đẳng?

Trong quá trình nghiên cứu này, nhóm đã có thể chứng kiến ​​sự chuyển đổi của trạng thái lượng tử từ trạng thái thông thường của nó sang trạng thái tôpô mới, có nghĩa là nó mang các tính chất hình học mới. Họ có thể nghiên cứu sự thay đổi của trạng thái lượng tử bằng cách quan sát rào cản năng lượng giữa hai trạng thái.

Trong trạng thái biến đổi này, các nhà khoa học có thể quan sát những gì được gọi là hạt Majorana, được đặt theo tên nhà vật lý lý thuyết người Ý thế kỷ 20 Ettore Majorana. Các nhà khoa học Ý đã đưa ra giả thuyết về các hạt, hoạt động như phản hạt của chính chúng, vào năm 1937. Các nhà khoa học coi chúng là giải pháp lưu trữ tiềm năng cho qubit, với khả năng lưu giữ thông tin lượng tử trong một không gian tính toán đặc biệt, an toàn trước tiếng ồn môi trường bên ngoài.

Trước đây, vẫn luôn không có vật liệu lưu trữ tự nhiên nào cho các hạt lưu trữ này. Nhưng trạng thái vật chất mới này dường như có thể lưu trữ các hạt Majorana, có thể giữ chúng. Với vị trí giữ nguyên vẹn, các hạt Majorana sau đó có thể lưu trữ qubit.

Shabani nói: “Khám phá mới về hiện tượng siêu dẫn tôpô trong một hệ thống hai chiều mở đường cho việc xây dựng các qubit tôpô có thể mở rộng để không chỉ lưu trữ thông tin lượng tử mà còn để thao tác các trạng thái lượng tử không có sai số.”