Chúng ta đã quen thuộc với các trạng thái của vật chất thường gặp hàng ngày, chẳng hạn như rắn, lỏng và khí. Nhưng trong những điều kiện dị thường và cực đoan, các trạng thái mới có thể xuất hiện, và các nhà khoa học từ Hoa Kỳ và Trung Quốc vừa tìm thấy một trường hợp như vậy.
Họ gọi đó là trạng thái chất lỏng bose chiral (chiral bose-liquid state), và giống như mọi sự sắp xếp mới của các hạt mà chúng ta khám phá ra, nó có thể cho chúng ta biết thêm về kết cấu và cơ chế của vũ trụ xung quanh ở thang lượng tử siêu nhỏ.
Các trạng thái của vật chất mô tả cách các hạt tương tác với nhau, tạo ra các cấu trúc và các kiểu hành xử khác nhau. Chẳng hạn, khi khóa các nguyên tử vào các vị trí, thì bạn sẽ có một chất rắn. Nếu cho phép các vị trí này di chuyển, bạn sẽ có chất lỏng hoặc chất khí. Nếu tách các cặp điện tích ra xa nhau, bạn có plasma.
Thế giới lượng tử cung cấp những cách thậm chí còn kỳ lạ hơn để các hạt tương tác, cho phép khái niệm xác suất và năng lượng có thể mô tả tốt nhất các hành vi dị thường.
Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra trạng thái mới thông qua một frustrated quantum system (Tạm dịch: hệ thống lượng tử thất vọng). Nói một cách đơn giản, đó là một hệ thống có các ràng buộc tích hợp ngăn các hạt tương tác theo cách chúng thường làm (do đó gây ra sự thất vọng).
Những ràng buộc này có thể tạo ra những kết quả thú vị đối với các nhà khoa học. Ở đây, các nhà nghiên cứu tập trung vào electron và sử dụng một trò chơi tiệc tùng để giải thích điều gì đang xảy ra.
Nhà vật lý lý thuyết vật chất ngưng tụ Tigran Sedrakyan từ Đại học Massachusetts Amherst cho biết: “Đó giống như trò chơi ghế âm nhạc, được thiết kế để gây thất vọng cho các electron”.
Sedrakyan nói thêm: “Thay vì mỗi electron có một chiếc ghế để ngồi, giờ đây chúng phải tranh giành và có nhiều khả năng chỗ ngồi”.
Hệ thống mà các nhà nghiên cứu đã tạo ra là một thiết bị bán dẫn có hai lớp: lớp trên giàu electron và lớp dưới có nhiều lỗ trống sẵn sàng cho các electron di chuyển vào một cách tự nhiên. Điều đặc biệt ở đây là gì? Không có đủ lỗ trống cho tất cả các điện tử.
-
- Minh họa về một dải hình nón mexico, loại hệ thống thất vọng do các nhà khoa học tạo ra. (Ảnh: Tigran Sedrakyan)
Mặc dù hệ thống này khó quan sát, nhóm nghiên cứu đã sử dụng một từ trường cực mạnh để đo cách các electron di chuyển, tiết lộ bằng chứng đầu tiên về trạng thái lỏng bose-chiral mới.
Nhà vật lý Lingjie Du từ Đại học Nam Kinh ở Trung Quốc cho biết: “Ở rìa của lớp bán dẫn kép, các electron và lỗ trống chuyển động với cùng vận tốc .
"Điều này dẫn đến sự vận chuyển giống như xoắn ốc, có thể được điều chỉnh thêm bởi từ trường bên ngoài khi các kênh electron và lỗ trống dần được tách ra dưới các từ trường mạnh hơn”.
Trạng thái mới này tiết lộ một số thuộc tính khá thú vị. Chẳng hạn, các electron sẽ đóng băng thành một mô hình có thể dự đoán được và có hướng quay cố định ở độ không tuyệt đối và không thể bị can thiệp bởi các hạt khác hoặc từ trường. Sự ổn định đó có thể có ứng dụng trong các hệ thống lưu trữ kỹ thuật số ở cấp độ lượng tử.
Ngoài ra, các hạt bên ngoài ảnh hưởng đến một electron có thể ảnh hưởng đến tất cả các electron trong hệ thống, nhờ vào hiện tượng vướng víu lượng tử tầm xa. Nó giống như việc đập một quả bi cái vào một bọc bi-a và tất cả những quả bóng đó đều chuyển động theo cùng một hướng. Đây là một phát hiện khác có thể hữu ích.
Mặc dù tất cả điều này đều liên quan đến vật lý chuyên ngành, nhưng mỗi khám phá như thế này – những trường hợp kỳ quặc và khó hiểu này xảy ra bên ngoài ranh giới của các tương tác hạt phổ biến – giúp chúng ta tiến gần hơn đến sự hiểu biết đầy đủ về thế giới của mình.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature.
Theo Science Alert
Văn Thiện biên dịch
