Một nhóm các nhà vật lý, bao gồm Phó giáo sư Tigran Sedrakyan của Đại học Massachusetts, đã phát hiện ra một trạng thái vật chất mới gọi là "trạng chất lỏng Bose chiral" (chiral Bose-liquid state). Phát hiện này mở ra một hướng đi mới trong nỗ lực của con người nhằm hiểu bản chất của thế giới vật chất.
Trong điều kiện thông thường, vật chất có thể ở trạng thái rắn, lỏng hoặc khí. Nhưng khi đi vào thế giới bên ngoài cuộc sống hàng ngày - ở nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, có các vật thể nhỏ hơn một phần của nguyên tử hoặc có trạng thái năng lượng cực kỳ thấp - mọi thứ sẽ rất khác. Sedrakyan nói: "Bạn sẽ tìm thấy các trạng thái vật chất lượng tử ở những vùng bên ngoài này, và chúng hoang dã hơn nhiều so với ba trạng thái cổ điển mà chúng ta gặp trong cuộc sống hàng ngày”.
Sedrakyan đã dành nhiều năm để khám phá những trạng thái lượng tử hoang dã này. Trong đó, ông đặc biệt quan tâm đến các khả năng mà các nhà vật lý học gọi là "suy thoái dải" (band degeneracy), "dải hào" (moat bands) hoặc "sự thất vọng động học" (kinetic frustration).
Thông thường, các hạt trong một hệ bất kỳ nào cũng va chạm với nhau và do đó gây ra các hiệu ứng có thể dự đoán được, giống như những quả bóng bida va chạm với nhau và sau đó di chuyển theo một mô hình có thể dự đoán được. Nói cách khác, các hiệu ứng và các hạt có tương quan với nhau. Nhưng trong một hệ thống lượng tử “thất vọng”, có vô số khả năng bắt nguồn từ sự tương tác của các hạt - có lẽ quả bóng bida sẽ bay lên hoặc phóng đi với một góc phi lý - và một vài trong vô số những khả năng này có thể dẫn đến các trạng thái lượng tử mới lạ.
Sedrakyan và các đồng nghiệp đã thiết kế một "cỗ máy thất vọng": một thiết bị bán dẫn hai lớp. Lớp trên giàu electron và các electron này có thể di chuyển tự do. Lớp dưới chứa đầy "lỗ trống", những vị trí mà một electron có thể chiếm chỗ. Sau đó, hai lớp này được đưa lại rất gần nhau - gần hơn khoảng cách giữa các nguyên tử.
Nếu số lượng electron trong lớp trên và lỗ trống trong lớp dưới bằng nhau, thì bạn sẽ mong đợi thấy các hạt hành động theo cách tương quan, nhưng Sedrakyan và các đồng nghiệp đã thiết kế lớp dưới sao cho có sự mất cân bằng cục bộ giữa số lượng electron và lỗ trống. Sedrakyan nói: “Nó giống như một trò chơi đổi chỗ ngồi”, được thiết kế để khiến cho các electron “thất vọng”. Thay vì mỗi electron có một chỗ ngồi để đi đến, bây giờ chúng phải tranh giành và có nhiều khả năng về chỗ chúng "ngồi".
Sự thất vọng này kích hoạt trạng thái biên chiral mới lạ, với một số đặc điểm đáng ngạc nhiên. Ví dụ, nếu bạn làm lạnh vật chất lượng tử trong trạng thái chiral xuống độ không tuyệt đối, các electron sẽ đóng băng theo một mô hình có thể dự đoán được và các hạt trung hòa điện xuất hiện trong trạng thái này sẽ quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ. Ngay cả khi bạn va chạm một hạt khác vào một trong những electron này, hoặc bạn đưa vào một từ trường, bạn cũng không thể thay đổi spin của nó.
Điều thậm chí còn đáng ngạc nhiên hơn là những gì xảy ra khi một hạt bên ngoài va chạm với một trong những hạt trong trạng thái biên chiral. Quay lại phép ẩn dụ quả bóng bida, bạn sẽ mong đợi quả bóng số 8 bay đi khi bi cái đánh vào nó. Nhưng nếu những quả bóng bida đang ở trạng thái chất lỏng Bose chiral, tất cả 15 quả sẽ phản ứng theo cách hoàn toàn giống nhau khi quả bóng số 8 bị đánh. Hiệu ứng này là do sự vướng víu lượng tử tầm xa có trong hệ thống này.
Trong một thời gian dài, trạng thái Bose chiral rất ít khi được nhắc đến, do việc quan sát nó rất khó khăn. Để làm được điều đó, nhóm các nhà khoa học, bao gồm các nhà lý thuyết vật lý Rui Wang và Baigeng Wang (cả hai đều từ Đại học Nam Kinh) cũng như các nhà vật lý thực nghiệm Lingjie Du (Đại học Nam Kinh) và Rui-Rui Du (Đại học Bắc Kinh) đã thiết kế một lý thuyết và thí nghiệm sử dụng từ trường cực mạnh có khả năng đo lường chuyển động của các electron khi chúng chạy đi tìm "ghế".
Lingjie Du nói: "Tại biên của bán dẫn hai lớp, các electron và lỗ trống di chuyển với vận tốc giống nhau. 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”.
Do đó, các thí nghiệm vận chuyển bởi từ trường đã thành công trong việc tiết lộ bằng chứng đầu tiên về chất lỏng Bose chiral.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature.
Theo charmingscience
