Xoáy lượng tử xác nhận siêu lỏng trong siêu rắn

Trong thời gian gần đây, người ta phát hiện ra siêu rắn là một hình thức mới của vật chất lượng tử. Trạng thái vật chất này có thể được tạo ra trong khí lượng tử phân cực siêu lạnh.

Một nhóm nghiên cứu ở trường đại học Innsbruck do nhà vật lý Francesca Ferlaino dẫn dắt đã chứng tỏ một dấu hiệu bị mất của siêu lỏng, hay sự tồn tại của các xoáy lượng tử hóa khi phản hồi với sự quay của hệ. Họ đã quan sát được các xoáy lượng tử rất nhỏ trong siêu rắn, hành xử một cách khác biệt với giả định trước đây.

Việc vật chất hành xử giống như một chất rắn và siêu lỏng trong cùng lúc là điều dường như không thể. Tuy nhiên hơn 50 năm qua, các nhà vật lý dự đoán là cơ học lượng tử cho phép tồn tại một trạng thái như thế, khi một tập hợp các hạt không thể phân biệt được có thể thể hiện một cách đồng thời các đặc tích dường như là trái ngược nhau.

“Đó là một dạng giống con mèo của Schrödinger vừa sống vừa chết, một siêu rắn có đủ cả rắn và lỏng”, theo giải thích của Francesca Ferlaino, Khoa Vật lý thực nghiệm ở ĐH Innsbruck và Viện Quang lượng tử và thông tin lượng tử (IQOQI) của Viện hàn lâm Khoa học Áo (ÖAW). Trong khi sự sắp xếp tinh thể đem lại bản chất “rắn” của siêu rắn đã được hiển thị hình ảnh một cách trực tiếp thì lại rất khó nắm bắt các đặc tính siêu lỏng. Trong khi các nhà nghiên cứu đã chứng minh được vô số khía cạnh của hành vi siêu lỏng, như cố kết pha và phương thức Goldstone không khe, bằng chứng trực tiếp về một trong những đặc tính đã được xác định của siêu lỏng – các xoáy lượng tử hóa – vẫn còn khó nắm bắt.

Giờ thì trong một đột phá, các xoáy lượng tử hóa cuối cùng đã được quan sát trong siêu rắn hai chiều quay, đem lại một xác nhận được chờ đợi đã lâu về dòng chảy siêu chảy không quay thành một siêu rắn và đánh dấu một bước tối quan trọng hướng về nghiên cứu vật chất lượng tử biến điệu.

Thách thức thực nghiệm

Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu kết hợp các mô hình lý thuyết với các thực nghiệm tiên tiến để tạo ra và quan sát các xoáy trong siêu rắn phân cực – một kỳ tích vô cùng khó đạt được. Nhóm nghiên cứu ở Innsbruck trước đây đã đạt được một đột phá vào năm 2021 bằng việc tạo ra siêu rắn hai chiều có thời gian sống dài đầu tiên trong một khí siêu lạnh của các nguyên tử erbium, tự nó đã là một nhiệm vụ khó nhằn. “Bước tiếp theo – phát triển một cách để khuấy siêu rắn mà không phá hủy trạng thái mỏng manh đó của nó – thậm chí đòi hỏi sự chính xác còn lớn hơn”, tác giả đầu của nghiên cứu Eva Casotti giải thích.

Bằng các kỹ thuật siêu chính xác theo hướng dẫn của lý thuyết, các nhà nghiên cứu đã sử dụng từ trường để quay chất siêu rắn một cách cẩn trọng. Bởi vì chất lỏng không quay giống kiểu chất rắn nên việc khuấy này là nguyên nhân dẫn đến việc hình thành các xoáy lượng tử hóa, vốn là vết thủy động lực học của siêu lỏng. “Công trình này là một bước đáng kể hướng đến việc hiểu hành xử độc nhất vô nhị của siêu lỏng và các ứng dụng tiềm năng của nó trong lĩnh vực vật chất lượng tử”, Francesca Ferlaino nói.

Tuy nhiên, thực nghiệm đã diễn ra gần một năm, tiết lộ những khác biệt đầy ý nghĩa giữa động lực học của các xoáy trong siêu lỏng và chất lỏng lượng tử không biến điệu, và đề xuất một cái nhìn mới mẻ vào cách các đặc tính siêu lỏng và rắn đồng tôn tại và tương tác trong những trạng thái lượng tử lạ đó.

Khám phá vật lý mới

Những gợi ý từ khám phá này đã vượt qua cả cánh cửa phòng thí nghiệm, có tác động tiềm năng đến nhiều lĩnh vực, từ phạm vi vật lý vật chất đậm đặc đến vật lý thiên văn, nơi các pha lượng tử tương tự có thể tồn tại trong những điều kiện cực đoan. “Phát hiện của chúng tôi đã mở cánh cửa cho nghiên cứu về các đặc trưng thủy động lực học của các hệ lượng tử lạ với nhiều đối xứng bị phá vỡ, như các tinh thể lượng tử và ngay cả các ngôi sao neutron”, theo Thomas Bland, người phụ trách phát triển phần lý thuyết trong dự án. “Ví dụ, giả định là sự thay đổi trong tốc độ quay được quan sát trong các ngôi sao neutron – vẫn gọi là các chuyển động không đều –do các xoáy siêu lỏng bị bẫy bên trong các ngôi sao neutron. Nền tảng của chúng tôi đề xuất cơ hội mô phỏng những hiện tượng như vậy ngay trong phong thí nghiệm trên trái đất”. Các xoáy siêu lỏng được tin là tồn tại trong siêu dẫn, thứ vật chất có thể truyền điện mà không làm mất mát năng lượng.

“Công trình của chúng tôi là một cột mốc quan trọng trên đường tìm thứ vật lý mới”, Francesca Ferlaino nói. “Chúng tôi có thể quan sát hiện tượng vật lý ngay trong phòng thí nghiệm, dù có vẫn xuất hiện trong tự nhiên với những điều kiện cực đoan như trong các ngôi sao neutron”.

Công trình này được xuất bản trên Nature và được Quỹ Khoa học Áo FWF, Cơ quan Thúc đẩy nghiên cứu Áo FFG và EU tài trợ.

Thanh Lan dịch từ trường đại học Innsbruck

Nguồn: https://www.uibk.ac.at/en/newsroom/2024/quantum-vortices-confirm-superfluidity-in-supersolid/