Các nhà khoa học của Đại học Chicago đã có thể tạo ra một loại đối tượng lượng tử mới theo ý muốn trong phòng thí nghiệm gọi là “bức tường miền” (domain wall). Khám phá này có thể mở ra những hướng phát triển tiếp theo cho công nghệ trong tương lai, chẳng hạn như điện tử lượng tử hoặc bộ nhớ lượng tử.
Nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm của Giáo sư Cheng Chin, nơi chuyên nghiên cứu các hệ lượng tử mới và vật lý đằng sau chúng tại Đại học Chicago (UChicago).
Trong một thí nghiệm, các nhà khoa học đã nhận thấy sự xuất hiện của một hiện tượng thú vị ở các nguyên tử tại nhiệt độ cực thấp. Với các điều kiện thích hợp, các nhóm nguyên tử có thể phân tách thành các miền, kèm theo một “bức tường” ngăn cách chúng. Ngoài ra, bức tường miền này còn hoạt động giống như một vật thể lượng tử độc lập.
Tác giả đầu tiên của nghiên cứu, nghiên cứu sinh Kai-Xuan Yao, cho biết: “Nó giống như một cồn cát trong sa mạc - nó được tạo thành từ cát, nhưng cồn cát này hoạt động như một vật thể có hành vi khác với những hạt cát riêng lẻ”.
Trước đây, các nhà khoa học đã nhìn thấy những bức tường miền này trong vật liệu lượng tử, nhưng họ không thể tạo ra và phân tích chúng một cách đáng tin cậy. Sau khi các nhà vật lý ở UChicago thiết lập được công thức để tạo ra và nghiên cứu kỹ lưỡng các bức tường, họ đã quan sát thấy những hành vi đáng ngạc nhiên của các hạt trong thế giới lượng tử.
Chin cho biết: “Chúng tôi có nhiều kinh nghiệm trong việc kiểm soát các nguyên tử. Như chúng ta đã biết, nếu ta đẩy các nguyên tử sang phải, chúng sẽ di chuyển sang phải. Nhưng ở đây, nếu bạn đẩy bức tường miền sang phải, nó sẽ di chuyển sang trái”.
Các bức tường miền này là một phần của lớp hiện tượng được gọi là hiện tượng “mới nổi”. Tức là, chúng dường như tuân theo các định luật vật lý mới do tập thể nhiều hạt gây ra.
Phòng thí nghiệm của Chin nghiên cứu những hiện tượng mới nổi này, tin rằng chúng có thể làm sáng tỏ một tập hợp các định luật vật lý gọi là lý thuyết chuẩn động lực học (dynamical gauge theory). Lý thuyết này sẽ mô tả các hiện tượng mới nổi khác trong vật liệu cũng như trong vũ trụ sơ khai, khi các hạt kết tụ lại với nhau để tạo thành các thiên hà, các ngôi sao và hành tinh.
Những đột phá trong lĩnh vực này cũng có thể kích hoạt công nghệ lượng tử mới. Các nhà khoa học quan tâm đến việc lập danh sách các hiện tượng mới nổi này một phần vì chúng có thể trở thành cơ sở của công nghệ trong tương lai. Điều này giống như cơ sở của GPS hiện đại bắt nguồn từ việc các nhà khoa học vào những năm 1950 đang cố gắng kiểm tra thuyết tương đối của Einstein.
Chin nói: “Hiện tượng này có thể có những ứng dụng trong việc chế tạo vật liệu lượng tử có thể lập trình được hoặc bộ xử lý thông tin lượng tử. Nó có thể được sử dụng để tạo ra một cách mạnh mẽ hơn để lưu trữ thông tin lượng tử hoặc kích hoạt các chức năng mới trong vật liệu. Nhưng trước khi chúng ta có thể khám phá ra những điều đó, bước đầu tiên là hiểu cách điều khiển chúng”.
Nghiên cứu được xuất bản trên tạp chí Nature.
Văn Thiện
