Bước tiến dài đến gần bí mật của độ 0 tuyệt đối

Các nhà khoa học đã phát triển một con chip có thể tự làm mát đến nhiệt độ kỷ lục là 2,8 millikelvin. Kỷ lục này mở ra một tiềm năng to lớn để hiểu rõ hơn trạng thái vật lý của vật chất khi tiến gần tới độ 0 tuyệt đối.

Các nhà khoa học từ lâu đã bị hấp dẫn bởi các tính chất vật lý đặc biệt gần độ 0 tuyệt đối, nhiệt độ 0° Kelvin, hoặc -273,15°C, nhiệt độ mà vật chất không còn tồn tại năng lượng. Đây là giới hạn mà các hạt đạt đến vận tốc thấp nhất có thể, kể từ khi giới hạn này được nêu lên trong các giả thuyết. Sau hàng thập kỷ tranh cãi, các nhà khoa học đã cho rằng, việc đạt đến độ 0 tuyệt đối là bất khả thi.

Độ 0 tuyệt đối là giá trị lạnh nhất theo lý thuyết.

Tuy nhiên, điều này không làm cho họ bó tay. Một nhóm tại Đại học Basel gần đây đã phát triển một thiết bị giúp chúng ta tiến gần hơn bao giờ hết đến giới hạn lạnh nhất, và có thể cho phép họ khám phá những hiện tượng vật lý kỳ lạ được cho là xảy ra ở điểm nhiệt độ gần cực đại tuyệt đối. Nhóm nghiên cứu phát triển một chip nano điện tử có thể làm mát đến nhiệt độ kỷ lục 2,8 milli kelvin. Thiết bị này sử dụng từ trường làm mát, thông qua một vùng từ trường được ảnh hưởng làm giảm các kết nối điện của chip đến 150 microkelvin.

Sử dụng một hệ thống từ trường được thiết kế theo mong muốn, nhóm nghiên cứu cũng đồng thời làm lạnh một nhiệt kế để đo nhiệt độ, và duy trì nhiệt độ của chip trong bảy giờ. Giai đoạn kéo dài thời gian này cho phép nhóm nghiên cứu trạng thái siêu mát này được chi tiết hơn. Bản thân chip làm mát này đã gây được ấn tượng đáng kinh ngạc, nhưng thật ra nó không phải là phần thú vị nhất của thí nghiệm này.

Chip làm mát này đã mở ra một tiềm năng to lớn để hiểu rõ hơn về điều gì sẽ xảy ra với các trạng thái vật lý khi tiến gần tới độ 0 tuyệt đối. Sự hiểu biết này có thể tiếp tục gia tăng, vì các nhà nghiên cứu đang hy vọng cải tiến thiết bị và phương pháp thử nghiệm để cuối cùng sẽ đạt được 1 millikelvin. Trong năm vừa qua, giới hạn quan sát được (còn gọi là giới hạn backaction lượng tử) về mức độ lạnh về mặt lý thuyết của vật thể đã được phá vỡ.

Các nhà nghiên cứu có thể làm mát một vật thể dưới một phần năm của 1 đơn vị lượng tử, đẩy nó nhiều hơn hai decibel dưới giới hạn backaction của lượng tử. Nhưng sau đó, các nhà khoa học chính thức chứng minh định luật thứ ba của nhiệt động lực học bằng cách chứng minh rằng theo nguyên lý toán học không thể làm mát đến độ không tuyệt đối.

Không gian vật chất kỳ lạ khi đạt đến độ không tuyệt đối chưa được khám phá hoàn toàn vì nó đã rất khó khăn để đạt được trong các thử nghiệm. Với khả năng mới nghiên cứu trạng thái uber-cold này, vẫn còn nhiều điều cần phải tìm hiểu về các tính chất vật lý ở những nhiệt độ thấp như thế này. Thêm vào đó, hiểu biết về độ 0 tuyệt đối có thể cải thiện hiệu năng của các thiết bị điện tử hiện đại.

Vi chip kích thước nano mới được thiết kế.

Ví dụ như hiệu suất của bóng bán dẫn bị ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ. Bóng bán dẫn truyền thống gặp một loạt các vấn đề khi chúng quá nóng. Các bóng bán dẫn được sử dụng trong máy tính, thiết bị thông minh và các thiết bị điện tử thương mại khác có hiệu quả hơn ở nhiệt độ cực kỳ thấp, giống như những gì chỉ ở trên tuyệt đối không.

Việc sử dụng nhiệt độ cực thấp có thể cải thiện không chỉ các thiết bị điện tử gia đình, mà còn hỗ trợ các công nghệ mà chúng ta sử dụng để khám phá vũ trụ xa xôi. Các camera hồng ngoại được tạo ra để chụp ảnh không gian cần hoạt động ở nhiệt độ thấp nhất có thể, cho phép chúng hoạt động với độ nhạy tối đa. Những nhiệt độ này cũng có thể được tích hợp trong việc thúc đẩy công nghệ hình ảnh y tế.