 |
Hình minh họa trừu tượng về ánh sáng chuyển động như một chất lỏng. Các nhà khoa học gần đây đã biến ánh sáng thành 'siêu rắn', cho thấy các đặc tính của cả chất rắn và chất lỏng. (Ảnh: Getty Images) |
Siêu rắn là gì?
Siêu rắn là trạng thái vật chất kỳ lạ được định nghĩa bởi cơ học lượng tử, trong đó các hạt ngưng tụ thành một chất rắn kết tinh có trật tự nhưng cũng di chuyển như chất lỏng không có độ nhớt. (Độ nhớt đề cập đến ma sát bên trong của một chất, chi phối mức độ chảy trơn tru của chất đó). Thông thường, chất rắn không tự di chuyển, nhưng siêu rắn thay đổi hướng và mật độ tùy thuộc vào tương tác của các hạt trong khi vẫn duy trì cấu trúc mạng có tổ chức.
Tại sao chất siêu rắn lại lạnh?
Siêu rắn cần nhiệt độ cực thấp để hình thành - thường rất gần với độ không tuyệt đối (- 273,15 độ C). Hầu hết các hạt phải chiếm trạng thái năng lượng thấp nhất có thể và nhiệt làm cho các hạt nhảy lên nhảy xuống như những đứa trẻ dễ bị kích động trong hố bóng.
Nếu vật liệu đủ lạnh, nhiệt độ không còn che khuất cách các hạt tương tác với nhau nữa. Thay vào đó, các hiệu ứng nhỏ của cơ học lượng tử trở thành các yếu tố quyết định cách vật liệu hoạt động.
Tại sao chất lỏng lại không có độ nhớt?
Độ nhớt là thước đo mức độ dễ dàng mà chất lỏng thay đổi hình dạng. Chất lỏng có độ nhớt cao hơn có xu hướng bám dính vào chính nó nhiều hơn và do đó, chống lại chuyển động. Tất cả các chất lỏng, ngoại trừ siêu lỏng và siêu rắn, đều có một lượng độ nhớt nhất định.
Ví dụ, chất lỏng không có độ nhớt là heli được làm lạnh đến nhiệt độ trong vòng vài độ không tuyệt đối. Các hạt không hoàn toàn đứng yên ở độ không tuyệt đối; - chúng dao động một chút do nguyên lý bất định. Trong trường hợp của đồng vị heli-4, chúng dao động rất nhiều - đủ để khiến một mẫu heli-4 không thể trở thành chất rắn ở độ không tuyệt đối, trừ khi có áp suất khoảng 25 atm được áp dụng để thực sự nén các hạt lại với nhau.
Sự dao động của Helium-4 ở độ không tuyệt đối và các hiện tượng lượng tử khác gây ra một số thay đổi mạnh mẽ trong cách chất lỏng hoạt động. Nó ngừng ma sát (và do đó, không có độ nhớt) và có thể nhanh chóng hút chính nó ra khỏi các thùng chứa.
Làm thế nào chúng ta có thể biến ánh sáng thành chất rắn?
Siêu rắn đã được tạo ra từ khí nguyên tử trước đây. Tuy nhiên, nghiên cứu mới sử dụng một cơ chế mới dựa trên các đặc tính của hệ thống "polariton".
Polariton được hình thành bằng cách ghép các photon (ánh sáng) và các quasiparticle như exciton thông qua tương tác điện từ mạnh. Các đặc tính của chúng cho phép chúng ngưng tụ thành trạng thái năng lượng thấp nhất có thể theo cách tương tự như một số khí nguyên tử. Nói cách khác, ánh sáng được ghép với vật chất và cùng nhau, chúng có thể được ngưng tụ thành siêu rắn.
Tại sao chất siêu rắn lại hữu ích?
Siêu rắn rất quan trọng để nghiên cứu vì chúng cho thấy tác động của các tương tác lượng tử nhỏ giữa các hạt mà không có nhiệt độ cản trở. Khi chúng ta lập bản đồ về hành vi và đặc điểm của siêu rắn, chúng ta thực sự đang xem xét cách các nguyên tử và hạt được kết hợp với nhau. Điều này dạy chúng ta về thế giới chúng ta đang sống ở cấp độ cơ bản.
Với nhiều nghiên cứu và phát triển hơn, siêu rắn có thể được sử dụng cho máy tính lượng tử, siêu dẫn, chất bôi trơn không ma sát và các ứng dụng mà chúng ta thậm chí còn chưa nghĩ đến. Có rất nhiều khả năng mà chúng ta vẫn chưa khám phá ra - và việc tạo ra siêu rắn từ ánh sáng là một bước tiến lớn.
