Các nhà vật lý học nói rằng họ đã thành công trong việc tạo được vật chất tồn tại cả ở dạng lỏng và dạng rắn

Ta vẫn biết rằng vật chất tồn tại dưới dạng rắn, lỏng, khí hoặc trạng thái plasma. Nhưng bạn nghĩ sao nếu ta có thể kết hợp được những đặc tính cơ bản lại thành một vật chất mới, là một “đứa con lai” tồn tại dưới cả dạng rắn và dạng lỏng?

Hai nhóm nghiên cứu riêng biệt nói rằng họ đã làm được điều không tưởng ấy, một vật liệu ở trạng thái “siêu rắn” – supersolid, một trạng thái vật chất có cấu trúc tinh thể của một chất rắn nhưng lại có thể chảy được như chất lỏng. Họ còn nói thêm rằng đây là vật chất siêu rắn đầu tiên được chế tạo ra.

Sọc biểu thị độ đặc và độ kém đặc của vật chất trong một trạng thái có tên ngưng tụ Bose-Einstein. Đường kẻ chứng tỏ rằng nó vừa là chất rắn lại vừa là chất lỏng.

Một trạng thái siêu rắn đáng lẽ phải là bất khả thi. Hai trạng thái lỏng và rắn thông thường là hai trạng thái đặc trưng và cực kì riêng biệt, hiển nhiên là như thế.

Nhưng sự hiện diện của một vật chất siêu rắn đã được dự đoán từ năm 1969, một nhà vật lý học người Nga đã đưa ra giả thuyết rằng đồng vị helium-4 ó thể tồn tại ở trạng thái cả rắn cả lỏng cùng một lúc. Điều khó khăn duy nhất là thời điểm đó, ai ai cũng nghĩ rằng việc tạo ra một vật chất siêu rắn như vậy là không thể.

Trong những thập kỷ nghiên cứu tiếp theo, các nhà vật lý học đã bắt gặp những trạng thái lượng tử kì lạ nhưng tất cả những kết quả nghiên cứu và thử nghiệm đều không đem lại kết quả rõ ràng.

Lịch sử của nghiên cứu tạo vật chất bao gồm cả hai trạng thái

Hồi năm 2004, các nhà nghiên cứu tại Đại học Bang Pennsylvania công bố rằng họ đã tạo được một vật chất siêu rắn bằng cách giảm nhiệt độ của helium rắn xuống mức nhỏ hơn 1/10 nhiệt độ không tuyệt đối (khoảng -273 độ C).

Họ nhận thấy rằng helium đạt nhiệt độ đó dễ dàng thay đổi hơn hẳn, điều đó đã khiến họ nghĩ rằng họ đã tạo ra được một trạng thái vật chất là kết hợp của trạng thái rắn và trạng thái siêu lỏng – trạng thái mà chất lỏng không còn có tính nhầy.

“Nó vẫn tồn tại ở trạng thái rắn với một độ rắn nhất định, vẫn như các vật rắn thông thương vẫn thấy. Nhưng bên cạnh đó, nó lại có một tính chất cực kì kì lạ, đó là nó có thể chảy đi như dung dịch mà không thể hiện chút tính nhầy nào”, đó là kết luận tại thời điểm đó bởi nhà vật lý học Ross McKenzie tới từ Đại học Queensland, nhà khoa học này không có trong đội ngũ nghiên cứu chất này.

Nhưng đội ngũ nghiên cứu vẫn không chính thức nói rằng họ đã tạo ra vật chất siêu rắn, họ chờ tới khi có thể tái tạo lại thử nghiệm này một lần nữa, bởi lẽ họ không dám khẳng định rằng không có một lớp mỏng của chất lỏng nào tràn vào trong và làm hỏng kết quả thử nghiệm.

Tiến tới mốc thời gian 2006, nhà vật lý học John Reppy từ Đại học Cornell nói rằng ông đã hóa giải được bí mật về trạng thái siêu rắn của các nhà nghiên cứ thuộc Đại học Bang Pennsylvania.

Trong bản báo cáo khoa học nổi tiếng mang tên Cô đọng vật chất: kẻ thù của vật chất siêu lỏng, ông Reppy đã cố gắng tái tạo lại thử nghiệm đã được tiến hành 6 năm về trước, với một thiết bị có tên máy tạo dao động xoắn. Ông đã kết luận rằng sự xuất hiện của vật chất siêu rắn chỉ đơn giản là kết quả của những góc khuyết trong cấu trúc tinh thể mà thôi.

“Tín hiệu về trạng thái siêu rắn không phải là một biểu hiện lượng tử bên trong của một tinh thể tinh khiết, mà tín hiệu ấy đến từ việc hỗn loạn cấu trúc bên trong vật chất. Tín hiệu này biến mất khi góc khuyết trong cấu trúc tinh thể biến mất”, một nhà nghiên cứu khác, ông Eugenie Samuel Reich giải thích.

Về cơ bản, trạng thái ấy không đủ rõ ràng, không đủ ổn định để có thể là một vật chất tồn tại ở trạng thái đặc biệt, trạng thái siêu rắn.

Nhà vật lý học John Reppy

Năm 2010, một thử nghiệm khác được tiến hành bởi ông Reppy được cho là đóng lại toàn bộ “vụ việc siêu rắn” này.

Theo như báo cáo khoa học được đưa ra trong thử nghiệm năm 2010, kết quả cho thấy rằng ông Reppy đã khám phá ra một tính chất mang tên “tính dẻo lượng tử”, đó là khi đồng vị helium-4 rắn tăng tính mềm khi nhiệt độ của nó tăng cao, nhưng lại rắn lại nhanh chóng khi nhiệt độ lại giảm.

“Việc rắn lại của đồng vị này sẽ tạo ra một tín hiệu riêng biệt, bắt chước tín hiệu siêu rắn của vật chất”.

“Tôi thực sự thất vọng vì thí nghiệm lần này lại trở thành một thứ gì đó không phải trạng thái siêu rắn”, ông Reppy nói vào thời điểm kết quả thí nghiệm được công bố.

Các nhà vật lý học không thể xác định được rằng ai đúng ai sai, đội ngũ tại bang Pennsylvania đã thực sự đạt được trạng thái siêu rắn của vật chất, hay nhà vật lý học già Reppy đã giải mã được điều đó và khẳng định là không phải?

Từ thời điểm đó, việc có tồn tại hay không trạng thái siêu rắn của một vật vẫn gây ra rất nhiều tranh cãi. Nhưng mới đây, kết quả thử nghiệm mới của đội ngũ gồm các nhà nghiên cứu tới từ Mỹ và Thụy Sỹ cuối cùng cũng đã làm rõ ràng mọi việc – hoặc là làm nó rối hơn nữa.

Liệu tại thời điểm năm 2016 này, ta đã tạo được vật chất tồn tại dưới cả hai trạng thái?

Hai đội ngũ tới từ MIT và ETH Zurich khẳng định rằng họ đã tạo ra được vật chất siêu rắn dưới dạng một trạng thái đặc biệt, trạng thái mang tên ngưng tụ Bose-Einstein – một trạng thái có được khi đưa vật chất xuống nhiệt độ cực lạnh, khi ấy các nguyên tử sẽ có vận hành với tính chất của các sóng.

Lợi ích của việc đưa vật chất tới được dạng ngưng tụ Bose-Einstein là nó đã đạt được trạng thái siêu lỏng (chảy không còn độ nhầy của chất lỏng nữa), có nghĩa rằng ta đã đi được nửa đường.

Ví dụ về trạng thái Bose-Einstein làm thay đổi cấu trúc lượng tử vật chất.

Cả hai đội ngũ nghiên cứu tại hai quốc gia đều đạt được cùng một kết quả, dù cách thức thực hiện của họ khác nhau.

Sau đó bằng cách tạo ra độ dày đặc khác nhau trong nguyên tử, họ có thể khiến vật chất siêu lỏng hoạt động như một chất rắn. Việc này tạo ra một cấu trúc nguyên tử lặp giống với tinh thể rắn, nhưng vật chất lỏng vẫn có thể chảy qua hệ thống chất rắn này.

Hiểu một cách dễ dàng hơn, đó là họ đã tạo ra được một vật chất có thể tự chảy xuyên qua nó và không hề có chút cản trở nào.

“Tôi chắc chắn rằng đây là trường hợp đầu tiên bạn có thể chứng kiến một hệ thống vừa siêu lỏng mà lại vừa rắn”, đó là những gì anh Sarang Gopalakrishnan từ Đại học Thành phố New York nói. Anh không thuộc bất kì nhóm nào trong cả hai đội ngũ nghiên cứu trên.

Chặng đường tiến tới việc đạt được trạng thái siêu rắn vẫn tiếp diễn, cả hai đội nghiên cứu vẫn khá im lặng, không đưa ra thông báo nào cho tới khi kết quả nghiên cứu của họ được chính thức xác nhận bởi các nhà khoa học hàng đầu.

Sự việc ít chắc chắn nhất hiện tại là cách thức để ta xác định được một vật chất có thực sự “siêu rắn” hay không, và phương pháp ngưng tụ Bose-Einstein thay vì sử dụng đồng vị helium-4 có phải là một phương pháp “chính thống” hay không.

Ý tưởng đứng đằng sau sự “siêu rắn” vốn dĩ kì lạ, bởi lẽ trạng thái siêu lỏng và trạng thái rắn đối nghịch nhau và trong đa số vật chất, nguyên tử PHẢI chọn một trong hai trạng thái.

Nhưng với phương pháp ngưng tụ Bose-Einstein, hai trạng thái này có thể “sống hòa thuận” cùng nhau được, điều này làm cho vật chất không ngược trực giác giống như đồng vị helium-4 siêu rắn.

Bên cạnh đó, việc chuyển đổi cấu trúc bên trong vật liệu của các nhà nghiên cứu thời nay được coi là “ăn gian”, khi so sánh với phương pháp giảm nhiệt độ của đội ngũ nghiên cứu tại bang Pennsylvania vài năm về trước.

Hãy cùng chờ xem ai đúng ai sai, và xem rằng một vật chất có thực sự tồn tại được ở cả hai dạng hay không.

Nếu các bạn tò mò, đây là nghiên cứu của đội ngũ tại Zurich và đây là nghiên cứu của đội ngũ tại MIT.

Trạng thái vật chất mới được phát hiện có ý nghĩa lịch sử với máy tính hiện đại