Các nhà khoa học tạo ra một trạng thái vật chất mới – vừa rắn vừa lỏng

Các nhà khoa học từ Thụy Sĩ và Mỹ vừa tuyên bố tạo thành công chất siêu rắn – một dạng vật chất kỳ lạ kết hợp đồng thời tính rắn và tính siêu lỏng. Khái niệm về chất này đã có từ lâu, nhưng đây là lần đầu tiên giới khoa học tạo thành công một chất như vậy.

Ở trường, chúng ta được dạy rằng rắn, lỏng và khí là 3 trạng thái cơ bản của vật chất. Nhưng điều thường bị bỏ qua là, chúng không chỉ là những trạng thái duy nhất, bởi tạo họa có rất nhiều thứ chúng ta không thể trải nghiệm trong cuộc sống hàng ngày.

Khi áp suất và nhiệt độ đạt mức cực hạn, vật chất sẽ phát triển các đặc tính phi thường. Ở Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ETH Zurich và Học viện Công nghệ Massachusetts MIT (Hoa Kỳ), các nhà vật lý vừa xác nhận sự tồn tại của một đặc tính mới, một trạng thái mới của vật chất.

Trạng thái này gọi là siêu rắn. Nó có cấu trúc của một chất rắn thông thường, nhưng lại không có độ nhớt, một đặc tính chỉ có thể thấy ở chất siêu lỏng. Nói cách khác, chất rắn có cấu trúc tinh thể này sẽ "chảy" như một dạng chất lỏng trơn nhất.

Hình minh họa một chất siêu rắn, một chất rắn nhưng lại có tính chất của chất siêu lỏng. (Ảnh: ETH Zurich).

Vậy chất siêu lỏng là gì? Nó là dạng chất lỏng không có độ nhớt. Do không có độ nhớt, chúng có những "hành vi" rất kỳ lạ. Nếu được khuấy lên, chất siêu lỏng sẽ xoáy mãi mãi chứ không giảm dần rồi tĩnh lại như chất lỏng bình thường. Cuối cùng, vòng xoáy sẽ "trèo" lên thành và tràn ra ngoài vật đựng. Thật khó để tưởng tượng một chất rắn có thể làm được điều tương tự. Nhưng các nhà khoa học từ ETH và MIT đã tìm ra, và như đã nói bên trên, nó được gọi là chất siêu rắn.

Trạng thái này, như báo cáo từ hai nghiên cứu của ETH và MIT được đăng trên tạp chí Nature, được mô tả là chất siêu rắn đầu tiên với khí lượng tử cực lạnh.

"Thật khó để tưởng tượng một chất liệu có thể kết hợp đồng thời tính siêu lỏng và tính rắn. Nếu tách cà phê của bạn mang tính siêu lỏng và bạn khuấy nó, nó sẽ tiếp tục quay mãi không ngừng", GS Wolfgang Ketterle, đồng tác giả nghiên cứu của MIT, nhận định.

Nhóm MIT bắt đầu với trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein (BEC), một trạng thái cũng được khám phá bởi GS Ketterle mà đã mang lại cho ông giải Nobel vật lý vào năm 2001. Trạng thái BEC có thể đạt được ở nhiệt độ cực kỳ thấp – khoảng vài phần tỷ của một độ trên 0 độ tuyệt đối ở môi trường chân không cực cao.

Các nhà nghiên cứu đã thao túng các chất trong trạng thái BEC (chất BEC) sử dụng hai chùm tia laser nhằm điều khiển chuyển động của chúng và tạo ra cấu trúc tinh thể, trong khi khí lượng tử tiếp tục biểu thị trạng thái siêu lỏng. Đây được gọi là pha sọc khi mật độ của chất siêu rắn biến đổi và chuyển động bên trong như một gợn sóng.

"Nguyên liệu của chất siêu rắn cực kỳ đơn giản, nhưng chúng tôi đã gặp một thách thức lớn khi cố gắng sắp xếp chính xác các chùm tia laser và giữ mọi thứ ổn định để có thể quan sát pha sọc", đồng tác giả nghiên cứu Jun-Ru Li cho biết.

Nhóm nghiên cứu từ MIT. (Ảnh: Internet).

Nhóm ETH cũng sử dụng một chất BEC để thu thập chất siêu rắn, nhưng thay vì hai chùm tia laser, họ chỉ sử dụng một tia duy nhất cùng một thiết bị đặc biệt với hai khoang chứa, nơi ánh sáng của tia laser có thể tạo ra sự cộng hưởng. Sự cộng hưởng này tóm giữ các nguyên tử của chất BEC thành một hình khối đều.

Các nhà khoa học đã cố gắng đạt được trạng thái này trong nhiều thập kỷ. Năm 1969, nhà vật lý người Anh David Thouless cho rằng chất siêu lỏng có thể được biến đổi thành chất siêu rắn, và rất nhiều người đã cố gắng thực hiện điều này sử dụng nguyên tử He, nhưng không thành. Hai chất siêu rắn thu được không hề có tính phức tạp như có thể thấy ở He siêu lỏng.

"Công trình của chúng tôi hiện đã áp dụng thành công các ý tưởng của Thouless. Tuy nhiên, chúng tôi không dùng nguyên tố He, mà dùng một chất ngưng tụ Bose- Einstein", Tobias Donner, đồng tác giả nghiên cứu của ETH, giải thích.

Không có ứng dụng kỹ thuật cho trạng thái thú vị này, nhưng các nhà khoa học nghĩ nó có thể giúp chúng ta hiểu hơn về tính siêu dẫn và các chất siêu lỏng.