Lần đầu tiên khám phá hiện tượng rối lượng tử của nhiều nguyên tử

Khi trở thành nam châm hoặc siêu dẫn, các vật liệu thường mang nhiều đặc tính thú vị khác nhau. Tuy nhiên, các đặc tính này lại hay thay đổi một cách tự nhiên trong những điều kiện cực đoan. Các nhà nghiên cứu ở trường Đại học Kỹ thuật Dresden (TUD) và trường đại học Kỹ thuật München (TUM) đã khám phá ra một dạng hoàn toàn mới của các chuyển pha này. Họ đã thực hiện được hiện tượng rối lượng tử bao gồm nhiều nguyên tử, trước đây mới chỉ được quan sát ở một vài nguyên tử.

Kết quả mới được xuất bản trên Nature.

Bộ lông mới cho con mèo

Trong vật lý, con mèo của Schroedinger là một hiện tượng phúng dụ về hai trong số hiệu ứng truyền cảm hứng bậc nhất của cơ học lượng tử: rối và chồng chập lượng tử. Các nhà nghiên cứu từ Dresden và Munich mới quan sát được các hành xử đó trong một quy mô hiện tượng lớn hơn so với các hạt nhỏ nhất vũ trụ. Cho đến hiện giờ thì các vật liệu hiển thị những đặc tính đó, vốn được biết với tên gọi là các miền (domain) – những hòn đảo trong đó các đặc tính vật liệu hoặc thuần nhất hoặc thuộc về một dạng khác (hãy tưởng tượng ra chúng là đen hoặc trắng).

Hãy nhìn vào lithium holmium fluoride (LiHoF₄), vật liệu mà mới đây các nhà vật lý khám phá ra một chuyển pha hoàn toàn mới, tại đó các miền thể hiện những đặc điểm cơ học lượng tử một cách vô cùng ngạc nhiên, dẫn đến các đặc tính của chúng trở nên rối (trở nên trắng và đen tại cùng một thời điểm). “Con mèo lượng tử của chúng tôi hiện tại có một bộ lông mới bởi vì chúng tôi đã khám phá ra một chuyển pha lượng tử mới trong LiHoF₄ chưa từng được biết đến trước đây”, Matthias Vojta, Chủ tịch Vật lý lý thuyết chất rắn tại TUD, nói.

Các chuyển pha và rối lượng tử

Chúng ta có thể dễ dàng quan sát sự thay đổi của các đặc tính thuần nhất trong một vật chất nếu nhìn vào nước – tại mức 100 độ C, nó hóa thành hơi còn tại 0 độ C nó đông thành băng. Trong cả hai trường hợp, các trạng thái mới của vật chất đều là hệ quả của một chuyển pha, nơi các phân tử nước tái sắp xếp chính mình, dẫn đến sự thay đổi của đặc tính vật chất. Các đặc tính như từ hóa hoặc siêu dẫn xuất hiện như kết quả của các electron trải qua các chuyển pha trong tinh thể. Với các chuyển pha tại mức nhiệt độ chạm tới độ không tuyệt đối – 273.15 độ C, các hiện tượng cơ học lượng tử như rối và chuyển pha lượng tử đã phát huy tác dụng.

“Mặc dù có hơn 30 năm nghiên cứu sâu rộng về các chuyển pha  trong vật liệu lượng tử nhưng trước đây, chúng tôi mới đặt giả định là hiện tượng rối chỉ đóng vai trò ở cấp độ vi mô, nơi có sự tham gia của vài nguyên tử tại cùng một thời điểm”, Christian Pfleiderer, giáo sư Topology của các hệ tương quan tại TUM, nói.

Rối lượng tử là trạng thái trong đó các hạt lượng tử rối tồn tại trong một chia sẻ trạng thái chồng chập cho phép xuất hiện các đặc tính riêng biệt qua lại (ví dụ đen và trắng) một cách đồng thời. Như một quy tắc, cơ học lượng tử mới chỉ áp dụng ở các hạt vi mô. Các nhóm nghiên cứu ở Munich và Dresden đã thành công trong việc quan sát các hiệu ứng rối lượng tử ở quy mô lớn hơn với sự tham gia của hàng ngàn nguyên tử với hợp chất LiHoF₄.

Các mẫu hình cầu cho phép đo đạc chính xác

Tại mức nhiệt độ cực thấp, LiHoF₄ hành xử như một vật liệu sắt từ, nơi tất các các mô men từ đều chỉ theo cùng một hướng. Nếu đưa một từ trường vào hướng thích hợp, các mô men từ sẽ thay đổi hướng, tạo ra hiện tượng thăng giáng. Nếu cường độ từ trường cao hơn thì các thăng giáng này mạnh hơn cho đến khi cuối cùng hiện tượng sắt từ hoàn toàn biến mất tại một chuyển pha lượng tử. Điều đó dẫn đến rối các mô men từ lân cận. “Nếu giữ một mẫu LiHoF₄ với một nam châm rất mạnh thì đột nhiên nó sẽ không còn từ tính nữa. Điều này đã được biết đến 25 năm trước”, Vojta nói.

Điều gì sẽ xảy ra khi thay đổi hướng từ trường? “Chúng tôi khám phá ra chuyển pha lượng tử tiếp tục xuất hiện, dẫu trước đây được tin là trong khi trước đây người ta tin rằng ngay cả độ nghiêng nhỏ nhất của từ trường cũng sẽ triệt tiêu nó”, Pfleiderer giải thích. Trong những điều kiện đó, tuy nhiên không phải các mô men từ đơn lẻ mà cả các khu vực từ mở rộng, hay còn gọi là các miền sắt từ, trải qua các chuyển pha lượng tử đó. Các miền tạo thành toàn bộ các đảo mô men từ chỉ cùng về một hướng.

“Chúng tôi đã sử dụng các mẫu hình cầu cho các phép đo chính xác của mình. Nó cho phép chúng tôi nghiên cứu một cách chính xác về hành xử phụ thuộc vào những thay đổi nhỏ theo hướng của từ trường”, Andreas Wendl, người thực hiện thí nghiệm này trong thời gian làm nghiên cứu sinh, cho biết.

Từ vật lý cơ bản đến ứng dụng

“Chúng tôi đã khám phá ra một dạng hoàn toàn mới của các chuyển pha lượng tử nơi rối lượng tử đóng vai trò trên quy mô hàng ngàn nguyên tử thay vì chỉ ở mức vài hạt”, Vojta giải thích. “Nếu anh tưởng tượng các miền từ tính như một mẫu hình đen và trắng, chuyển pha mới dẫn đến hoặc các khu vực đen hoặc trắng trở nên nhỏ hơn, tạo ra một mẫu hình lượng tử trước khi phân rã một cách hoàn toàn”. Một mô hình lý thuyết mới phát triển đã giải thích một cách thành công dữ liệu thu được từ thực nghiệm này.

“Với phân tích của chúng tôi, chúng tôi tổng quát hóa những mô hình cực nhỏ hiện có và tính đến những phản hồi của các miền sắt từ lớn đối với các đặc tính vi mô của nó”, Heike Eisenlohr, người thực hiện các tính toán trong quá trình làm luận văn nghiên cứu sinh tiến sĩ của mình. Phát hiện về những chuyển pha lượng tử mới quan trọng vì là nền tảng và khung tham chiếu chung cho các nghiên cứu về hiện tượng lượng tử trong vật liệu cũng như những ứng dụng mới. “Rối lượng tử được ứng dụng và sử dụng trong nhiều loại công nghệ như cảm biến lượng tử, máy tính lượng tử cùng nhiều thứ khác”, Vojta nói. Pfleiderer cho biết thêm, “Công trình của chúng tôi mới là phần nghiên cứu cơ bản, tuy nhiên có một tác động trực tiếp đến sự phát triển của những ứng dụng thực tiễn, nếu sử dụng các đặc tính của vật liệu có kiểm soát”.

Nguyễn Nhàn  tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2022-09-fur-quantum-cat-entanglement-atoms.html

https://www.mcqst.de/news-and-events/news/new-fur-for-the-quantum-cat.html