Khám phá bí ẩn lượng tử của vật chất kỳ lạ supersolid

“Supersolid” - một trạng thái vật chất có cấu trúc như chất rắn nhưng lại có thể chảy như chất lỏng. Ảnh: popsci.com

Đây là bằng chứng trực tiếp cho thấy vật chất này có tính chất đặc biệt, vừa rắn vừa lỏng, mang lại sự hiểu biết mới về các hiện tượng lượng tử.

Trong cuộc sống hằng ngày, chúng ta quen thuộc với 4 trạng thái vật chất cơ bản: rắn, lỏng, khí và plasma. Tuy nhiên, các nhà vật lý đã từ lâu nghiên cứu các trạng thái vật chất dị thường, hình thành trong những điều kiện cực kỳ khắc nghiệt - chẳng hạn như ở nhiệt độ siêu lạnh gần tuyệt đối (khoảng -273,15 độ C) hoặc mức năng lượng rất cao. Dưới những điều kiện này, vật chất bắt đầu có những hành vi rất khác so với những gì chúng ta thấy trong tự nhiên.

Chất lỏng như nước hay gas có thể có độ nhớt khác nhau, có nghĩa là mức độ cản trở sự chuyển động của chúng. Ví dụ, mật ong có độ nhớt cao hơn nước. Tuy nhiên, siêu lỏng (superfluid) - một dạng vật chất cực lạnh - không có độ nhớt, tức là không có sự cản trở nào, giúp chúng chảy tự do mà không bao giờ chậm lại. Nếu khuấy một siêu lỏng trong cốc, nó sẽ cứ tiếp tục chảy mãi mà không bao giờ ngừng.

Cách đây hơn 50 năm, các nhà vật lý đã dự đoán về sự tồn tại của một trạng thái vật chất gọi là "supersolid". Đây là một dạng vật chất mang tính chất của cả chất rắn và siêu lỏng, trong đó một phần nguyên tử có thể di chuyển qua cấu trúc tinh thể cứng mà không gặp sự cản trở - giống như chúng đang chảy nhưng vẫn giữ nguyên được tính chất rắn.

Các nhà nghiên cứu trước đây đã quan sát được các cấu trúc tinh thể bên trong các vật liệu supersolid bằng nhiều phương pháp khác nhau. Tuy nhiên, việc quan sát trực tiếp cách thức vật chất này chuyển động vẫn là một câu hỏi chưa có lời giải cho đến khi một nghiên cứu mới do nhà vật lý Francesca Ferlaino tại Đại học Innsbruck (Áo) chủ trì, công bố trên tạp chí Nature vào ngày 6/11 vừa qua.

Nhóm nghiên cứu của bà Ferlaino đã thành công trong việc khuấy động một supersolid và quan sát những xoáy nhỏ, gọi là “xoáy lượng tử” - những dấu hiệu đặc trưng của tính chất siêu lỏng. Bà Ferlaino giải thích: "Hãy tưởng tượng bạn có một cốc cà phê và bạn khuấy nhẹ bằng thìa. Bạn sẽ thấy cà phê xoáy quanh tâm cốc, và nếu nhìn kỹ, bạn sẽ thấy một xoáy nhỏ ở giữa nơi chất lỏng quay nhanh nhất. Đây là một ví dụ về xoáy trong một chất lỏng bình thường".

Tuy nhiên, khi thay cà phê bằng một siêu lỏng, điều gì sẽ xảy ra? Bà Ferlaino cho biết: "Nếu bạn khuấy từ từ, bạn sẽ ngạc nhiên khi thấy chất siêu lỏng không hề xoay theo thìa - nó vẫn hoàn toàn đứng yên, như thể không có gì làm xáo trộn nó. Nhưng nếu bạn khuấy nhanh hơn, thay vì chỉ tạo ra một xoáy lớn ở trung tâm, một điều kỳ diệu sẽ xảy ra: Hàng loạt xoáy nhỏ, gọi là xoáy lượng tử, bắt đầu xuất hiện".

Những xoáy lượng tử này giống như những lỗ nhỏ trong chất lỏng, mỗi xoáy quay với một tốc độ cụ thể. Bà Ferlaino giải thích: "Thay vì chỉ tụ lại một chỗ, chúng sắp xếp thành những mô hình đẹp mắt và đều đặn trên bề mặt siêu lỏng, giống như những lỗ trong một 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 mà chỉ xảy ra trong những điều kiện cực kỳ khắc nghiệt, chẳng hạn như tại trung tâm các sao neutron - những lõi cực kỳ đặc và dày đặc của các ngôi sao khi chúng phát nổ thành siêu tân tinh. Họ tin rằng những thay đổi trong tốc độ quay của sao neutron có thể là kết quả của các xoáy lượng tử siêu lỏng bị kẹt bên trong chúng.