Quan sát sự đột sinh của hành xử thu thập

Các chuyển pha miêu tả những thay đổi ở mức cực độ trong những tính năng của một hệ vĩ mô – giống như pha từ lỏng sang khí. Bắt đầu với các đơn tinh thể siêu lạnh, các nhà vật lý trường đại học Heidelberg đã có thể quan sát sự đột sinh của một chuyển pha với số lượng gia tăng của cấc hạt. Công trình nghiên cứu này đã được thực hiện trong lĩnh vực vật lý lượng tử dưới sự hương dẫn của giáo sư Selim Jochim của Viện vật lý.

Sáu cặp nguyên tử trong sự hội tụ của một chùm tia laser. Nguồn: Jonas Ahlstedt / Lund University Bioimaging Centre (LBIC)

Theo trật tự để hình thành các lý thuyết có ảnh hưởng, các chi tiết vi mô được thiết lập bên cạnh sự ủng hộ của các đại lượng có thể quan sát được về mặt vĩ mô. Một cốc nước có thể được miêu tả bằng các đặc tính như áp suất, nhiệt độ phòng và độ đậm đặc của chất lỏng, trong khi vị trí và vận tốc của các đơn phân tử nước thì chưa được chú ý. Một chuyển pha được miêu tả bằng sự thay đổi của hệ vĩ mô từ một trạng thái của vật chất như chất lỏng, sang một trạng thái khác của vật chất như khí. Các đặc tính của các hệ vĩ mô – vẫn gọi là các hệ nhiều vật (hệ nhiều hạt) – có thể được miêu tả như sự đột sinh bởi chúng là kết quả của sự tương tác của những đơn thành phần mà chúng không hề chứng tỏ có những đặc tính đó.

“Từ lâu tôi đã quan tâm đến cách thay đổi vĩ mô cực độ này tại một chuyển pha đột sinh từ một miêu tả vi mô”, Selim Jochim nói. Để trả lời câu hỏi này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một thí nghiệm trong đó họ lập một hệ từ những đơn nguyên tử siêu lạnh. Sử dụng mô phỏng lượng tử đó, họ tìm hiểu cách hành vi thu thập gia tăng trong một hệ vi mô. Để kết thúc hành xử natf, họ bẫy 12 nguyên tử trong một chùm laser siêu nhỏ. Trong hệ nhân tạo đó, cường độ tương tác giữa các hạt nhân từ không tương tác đã hình thành mức năng lượng lớn. “Số lượng các hạt trong hệ đủ nhỏ để miêu tả hệ về mặt vi mô. Nói cách khác, đã có bằng chứng về hiệu ứng thu thập”, Luca Bayha, một postdoc trong nhóm nghiên cứu của giáo sư Jochim, giải thích.

Trong thí nghiệm của mình, các nhà vật lý Heidelberg đã định hình mô phỏng lượng tử để các nguyên tử có thể thu hút các nguyên tử khác, và nếu sự hấp dẫn này đủ mạnh thì sẽ dẫn đến việc kết cặp. Các cặp nguyên tử đó là thành phần bắt buộc của một chuyển pha từ siêu lỏng – một trạng thái trong đó các hạt chuyển động thành dòng mà không bị ma sát. Các thí nghiệm tập trung vào thời điểm hình thành cặp đột sinh như một chức năng của cường độ tương tác và số lượng hạt. “Kết quả đáng ngạc nhiên trong thực nghiệm của chúng tôi là chỉ có sáu nguyên tử chứng tỏ tất cả các dấu hiệu của một chuyển pha được chờ đợi với một hệ nhiều hạt”, Marvin Holten, một nghiên cứu sinh trong nhóm nghiên cứu của giáo sư Jochim cho biết thêm.

Công trình của họ “Observing the emergence of a quantum phase transition shell by shell”  xuất bản trên tạp chí Nature.

Thanh Phương dịch

Nguồn: https://phys.org/news/2020-12-physicists-emergence-behaviour.html