Nhờ một thí nghiệm tuyệt vời, gần đây các nhà nghiên cứu đã lần đầu tiên quan sát được một hiện tượng hấp dẫn: mưa lượng tử. Một khám phá ở ranh giới giữa cơ học lượng tử và vật lý chất lưu thông thường có thể mở đường cho những tiến bộ lớn trong khoa học cơ bản.
Khi bạn đang thư giãn đọc sách hoặc xem một bộ phim truyền hình vào một buổi tối mưa, bạn có thể thấy vô số giọt nước từ từ rơi xuống cửa sổ, giúp tạo ra bầu không khí thoải mái và ấm cúng. Nhưng chúng ta dễ quên rằng hiện tượng này, mà chúng ta đều quen thuộc từ thời thơ ấu, thực chất là biểu hiện của một số hiện tượng vật lý hấp dẫn.
Cái sau cũng là nguồn gốc của một hiện tượng khác, sự bất ổn ở Plateau-Rayleigh. Hãy tưởng tượng một đài phun nước phun ra một luồng chất lỏng. Nhờ sức căng bề mặt, vật liệu này có thể duy trì được tính đồng đều và mạch lạc một cách đáng ngạc nhiên trên một khoảng cách dài, cho phép nó duy trì được tính toàn vẹn. Nhưng cú ném càng dài thì lực căng này càng không đủ. Ở đầu bên kia, tình hình trở nên bất ổn hơn nhiều: các giọt nước bắt đầu tách khỏi luồng nước dưới tác động của sự bất ổn này. Đây là một hiện tượng đã được nghiên cứu nhiều và ghi chép đầy đủ—và may mắn thay, vì nó đóng vai trò quan trọng trong rất nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu cơ bản đến hóa sinh và công nghệ nano.
Điều này đặt ra một loạt câu hỏi về hành vi của các giọt của chúng ta, bao gồm một câu hỏi đặc biệt thú vị: Các hiện tượng như sức căng bề mặt và sự bất ổn Plateau-Rayleigh cũng tồn tại trong thế giới lượng tử không?
Để trả lời câu hỏi này, trong nhiều năm, các nhà vật lý đã học cách tạo ra các vật thể gọi là "giọt lượng tử" — các nhóm nguyên tử nhỏ được ổn định chỉ bằng các hiệu ứng lượng tử, có chung một số tính chất với chất lỏng thông thường. Và đó chính là lúc các tác giả của nghiên cứu mới này vào cuộc, đưa khái niệm này tiến xa hơn nữa bằng một thí nghiệm thú vị.
Họ bắt đầu bằng cách tạo ra một loại khí gồm rubidi-87 và kali-41, sau đó đun nóng đến nhiệt độ gần bằng không độ tuyệt đối. Trong những điều kiện này, các đống giọt lượng tử phù du và không ổn định bắt đầu hình thành trước khi biến mất sau vài phần mười mili giây.
Tính năng mới lớn nhất là sự ra đời của tia laser. Điều quan trọng cần nhớ trong bối cảnh này là các chùm sáng này thực chất là sóng điện từ có tính kết hợp và tổ chức cao. Nhờ những đặc tính này, tia laser có thể được sử dụng như một ống dẫn sóng, một cấu trúc cho phép hạn chế sự lan truyền năng lượng theo một hướng cụ thể. Nói tóm lại, đây là một loại gia sư điện từ.
Sử dụng tia laser này, các nhà nghiên cứu có thể điều hướng các giọt sao cho chúng kéo dài trên một khoảng cách dài, do đó tạo thành các sợi. Sau đó, họ kết thúc với những cấu trúc chắc chắn là rất nhỏ và về mặt kỹ thuật gần với chất khí hơn là chất lỏng, nhưng về mặt cấu trúc thì tương đương với các vòi phun nước được đề cập ở trên.
Nói cách khác, đây là bối cảnh hoàn hảo để kiểm tra xem sức căng bề mặt và sự bất ổn Plateau-Rayleigh có tồn tại ở quy mô lượng tử hay không... và đó chính xác là những gì họ quan sát được. Từ một ngưỡng khoảng cách tới hạn nhất định, các dây lượng tử trở nên không ổn định. Sau đó, chúng phân mảnh thành nhiều giọt riêng lẻ, giống như tia nước phun ra từ đài phun nước khi đi qua một khoảng cách nhất định.
“Bằng cách kết hợp các thí nghiệm và mô phỏng số, chúng tôi có thể mô tả động lực học phân rã của một giọt lượng tử theo thuật ngữ bất ổn mao dẫn,” Chiara Fort, một nhà nghiên cứu tại Đại học Florence và là đồng tác giả của nghiên cứu, giải thích. "Mặc dù sự bất ổn Plateau-Rayleigh đã được biết đến rộng rãi trong các chất lỏng cổ điển và cũng đã được quan sát thấy trong heli siêu lỏng, nhưng trước đây nó chưa từng được quan sát thấy trong các khí nguyên tử."
Thuyết tương đối tổng quát của Einstein vượt qua thử thách lớn nhất của nó
Câu trả lời cho một số câu đố dai dẳng nhất của vật lý hiện đại có thể nằm trong những khoảng trống khó hiểu này. Do đó, bất kỳ cơ hội nào để khám phá cách vật lý cổ điển và vật lý lượng tử cùng tồn tại và chồng chéo lên nhau đều rất thú vị và mở ra cánh cửa cho công trình nghiên cứu có khả năng mang tính cách mạng hơn nữa về hành vi của vật chất.
Điểm quan trọng khác là nghiên cứu này đưa ra một cách tiếp cận mới để điều khiển các giọt lượng tử. Một viễn cảnh rất thú vị vì những vật thể kỳ lạ này được coi là rất hứa hẹn cho tương lai của một số lĩnh vực công nghệ. Ví dụ, một số nhà nghiên cứu đang cố gắng khai thác cụ thể các tính chất của chúng trong máy tính và cảm biến lượng tử, cũng như trong các lĩnh vực khác như quang học, công nghệ nano hoặc khoa học vật liệu. Ngoài nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu này do đó có thể cung cấp cơ sở cho các công nghệ mới hấp dẫn.
“Các phép đo của chúng tôi không chỉ thúc đẩy sự hiểu biết về pha lỏng kỳ lạ này,” Luca Cavicchioli, nhà nghiên cứu tại CNR-INO và là tác giả chính của bài báo tóm tắt, “mà còn chứng minh rằng có thể tạo ra các mạng giọt lượng tử cho các ứng dụng trong tương lai trong công nghệ lượng tử.”
Văn bản của nghiên cứu có sẵn tại đây.
Khi bạn đang thư giãn đọc sách hoặc xem một bộ phim truyền hình vào một buổi tối mưa, bạn có thể thấy vô số giọt nước từ từ rơi xuống cửa sổ, giúp tạo ra bầu không khí thoải mái và ấm cúng. Nhưng chúng ta dễ quên rằng hiện tượng này, mà chúng ta đều quen thuộc từ thời thơ ấu, thực chất là biểu hiện của một số hiện tượng vật lý hấp dẫn.
Những giọt nước, kho báu nhỏ của vật lý
Nếu nước tích tụ theo cách này dưới dạng những giọt nước được xác định rõ ràng, trước hết là do một hiện tượng riêng biệt, nhưng lại chi phối phần lớn thế giới xung quanh chúng ta: nguyên lý tác động tối thiểu, được định nghĩa bởi nhà khoa học lỗi lạc Joseph-Louis Lagrange. Nó nêu rằng thiên nhiên có xu hướng ưu tiên những sắp xếp vật chất nhằm giảm thiểu tổng năng lượng của hệ thống. Trong trường hợp các giọt nước của chúng ta, việc giảm năng lượng của hệ thống sẽ dẫn đến việc giảm thiểu diện tích bề mặt của chất lỏng. Do đó, chúng tự phát tiếp cận hình cầu, dạng hiệu quả nhất trong bối cảnh này: khi đó chúng ta nói đến sức căng bề mặt.
Cái sau cũng là nguồn gốc của một hiện tượng khác, sự bất ổn ở Plateau-Rayleigh. Hãy tưởng tượng một đài phun nước phun ra một luồng chất lỏng. Nhờ sức căng bề mặt, vật liệu này có thể duy trì được tính đồng đều và mạch lạc một cách đáng ngạc nhiên trên một khoảng cách dài, cho phép nó duy trì được tính toàn vẹn. Nhưng cú ném càng dài thì lực căng này càng không đủ. Ở đầu bên kia, tình hình trở nên bất ổn hơn nhiều: các giọt nước bắt đầu tách khỏi luồng nước dưới tác động của sự bất ổn này. Đây là một hiện tượng đã được nghiên cứu nhiều và ghi chép đầy đủ—và may mắn thay, vì nó đóng vai trò quan trọng trong rất nhiều lĩnh vực, từ nghiên cứu cơ bản đến hóa sinh và công nghệ nano.
Một "trận mưa lượng tử" chưa từng được quan sát thấy trước đây
Hoặc ít nhất, đó là trường hợp xảy ra ở quy mô của chúng ta và trong điều kiện bình thường. Bởi vì khi chúng ta bắt đầu quan sát một hiện tượng theo góc nhìn của vật lý lượng tử, tình hình có xu hướng thay đổi hoàn toàn. Chúng ta biết rằng khi các nguyên tử được làm lạnh đến nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối, hành vi của chúng không còn chỉ được chi phối bởi các lực cổ điển của vật lý truyền thống nữa: các định luật thường phản trực giác của cơ học lượng tử cũng phải được tính đến.Điều này đặt ra một loạt câu hỏi về hành vi của các giọt của chúng ta, bao gồm một câu hỏi đặc biệt thú vị: Các hiện tượng như sức căng bề mặt và sự bất ổn Plateau-Rayleigh cũng tồn tại trong thế giới lượng tử không?
Để trả lời câu hỏi này, trong nhiều năm, các nhà vật lý đã học cách tạo ra các vật thể gọi là "giọt lượng tử" — các nhóm nguyên tử nhỏ được ổn định chỉ bằng các hiệu ứng lượng tử, có chung một số tính chất với chất lỏng thông thường. Và đó chính là lúc các tác giả của nghiên cứu mới này vào cuộc, đưa khái niệm này tiến xa hơn nữa bằng một thí nghiệm thú vị.
Họ bắt đầu bằng cách tạo ra một loại khí gồm rubidi-87 và kali-41, sau đó đun nóng đến nhiệt độ gần bằng không độ tuyệt đối. Trong những điều kiện này, các đống giọt lượng tử phù du và không ổn định bắt đầu hình thành trước khi biến mất sau vài phần mười mili giây.
Tính năng mới lớn nhất là sự ra đời của tia laser. Điều quan trọng cần nhớ trong bối cảnh này là các chùm sáng này thực chất là sóng điện từ có tính kết hợp và tổ chức cao. Nhờ những đặc tính này, tia laser có thể được sử dụng như một ống dẫn sóng, một cấu trúc cho phép hạn chế sự lan truyền năng lượng theo một hướng cụ thể. Nói tóm lại, đây là một loại gia sư điện từ.
Sử dụng tia laser này, các nhà nghiên cứu có thể điều hướng các giọt sao cho chúng kéo dài trên một khoảng cách dài, do đó tạo thành các sợi. Sau đó, họ kết thúc với những cấu trúc chắc chắn là rất nhỏ và về mặt kỹ thuật gần với chất khí hơn là chất lỏng, nhưng về mặt cấu trúc thì tương đương với các vòi phun nước được đề cập ở trên.
Nói cách khác, đây là bối cảnh hoàn hảo để kiểm tra xem sức căng bề mặt và sự bất ổn Plateau-Rayleigh có tồn tại ở quy mô lượng tử hay không... và đó chính xác là những gì họ quan sát được. Từ một ngưỡng khoảng cách tới hạn nhất định, các dây lượng tử trở nên không ổn định. Sau đó, chúng phân mảnh thành nhiều giọt riêng lẻ, giống như tia nước phun ra từ đài phun nước khi đi qua một khoảng cách nhất định.
“Bằng cách kết hợp các thí nghiệm và mô phỏng số, chúng tôi có thể mô tả động lực học phân rã của một giọt lượng tử theo thuật ngữ bất ổn mao dẫn,” Chiara Fort, một nhà nghiên cứu tại Đại học Florence và là đồng tác giả của nghiên cứu, giải thích. "Mặc dù sự bất ổn Plateau-Rayleigh đã được biết đến rộng rãi trong các chất lỏng cổ điển và cũng đã được quan sát thấy trong heli siêu lỏng, nhưng trước đây nó chưa từng được quan sát thấy trong các khí nguyên tử."
Một nghiên cứu tại ranh giới của hai lĩnh vực vật lý
Điểm quan trọng của công trình này là hiện chúng ta biết rằng hiện tượng này liên quan đến cả quy mô vĩ mô và thế giới lượng tử. Và đó là một chi tiết có giá trị: đặc tính chung này có thể giúp các nhà nghiên cứu khám phá ranh giới giữa vật lý thông thường và vật lý lượng tử, vốn vẫn không thể hòa giải ở một số cấp độ hiện nay.Thuyết tương đối tổng quát của Einstein vượt qua thử thách lớn nhất của nó
Câu trả lời cho một số câu đố dai dẳng nhất của vật lý hiện đại có thể nằm trong những khoảng trống khó hiểu này. Do đó, bất kỳ cơ hội nào để khám phá cách vật lý cổ điển và vật lý lượng tử cùng tồn tại và chồng chéo lên nhau đều rất thú vị và mở ra cánh cửa cho công trình nghiên cứu có khả năng mang tính cách mạng hơn nữa về hành vi của vật chất.
Điểm quan trọng khác là nghiên cứu này đưa ra một cách tiếp cận mới để điều khiển các giọt lượng tử. Một viễn cảnh rất thú vị vì những vật thể kỳ lạ này được coi là rất hứa hẹn cho tương lai của một số lĩnh vực công nghệ. Ví dụ, một số nhà nghiên cứu đang cố gắng khai thác cụ thể các tính chất của chúng trong máy tính và cảm biến lượng tử, cũng như trong các lĩnh vực khác như quang học, công nghệ nano hoặc khoa học vật liệu. Ngoài nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu này do đó có thể cung cấp cơ sở cho các công nghệ mới hấp dẫn.
“Các phép đo của chúng tôi không chỉ thúc đẩy sự hiểu biết về pha lỏng kỳ lạ này,” Luca Cavicchioli, nhà nghiên cứu tại CNR-INO và là tác giả chính của bài báo tóm tắt, “mà còn chứng minh rằng có thể tạo ra các mạng giọt lượng tử cho các ứng dụng trong tương lai trong công nghệ lượng tử.”
Văn bản của nghiên cứu có sẵn tại đây.
