Sử dụng Heli, các nhà khoa học tiến gần hơn tới trạng thái vật chất siêu rắn

“Siêu rắn” – super solid, một trạng thái vật chất có cấu trúc tinh thể của một chất rắn nhưng lại có thể chảy được như chất lỏng.

Bài viết về vật lý khá lằng nhằng, các bạn chuẩn bị sẵn tinh thần. Bài nói về trạng thái siêu lỏng - super fluid và trạng thái siêu rắn - super solid của hai đồng vị heli là heli-3 và heli-4.

Khoa học đã vài lần thấy trạng thái siêu rắn – "super solid", một trạng thái vật chất có cấu trúc tinh thể của một chất rắn nhưng lại có thể chảy được như chất lỏng, thế nhưng ta vẫn chưa khẳng định được trạng thái này tồn tại. Ta cần những dữ kiện chắc chắn hơn là những quan sát đơn thuần. Vì thế nên giới khoa học rất chú ý tới bản nghiên cứu khoa học mới, với những chứng cứ mới cho thấy trạng thái super solid có thể tồn tại.

Đây là lúc ta xem nguyên tố heli tồn tại ở mức nhiệt độ cực thấp kỳ ảo và đẹp huyền diệu như thế nào.

Hình ảnh vẽ lại bằng máy tính: hạt nhân của nguyên tử heli đang trong trại thái phân rã phóng xạ. Hạt nhân gồm 2 proton (đỏ) mang điện tích dương và hai neutron trung tính (xanh lá), bao quanh là "đám mây lượng tử" làm từ gluon, một loại hạt hạ nguyên tử.

Helium là thứ quái dị nhất nhì Vũ trụ mà ta biết: nó là một hạt boson, một trong hai hạt cơ bản (hạt còn lại là fermion); đồng vị heli-4 có HAI proton, HAI neutron và HAI electron, biến nó thành một boson hỗn hợp – một trạng thái hạt fermion đặc biệt, cho nó tính chất của một hạt boson.

Các ví dụ về hạt boson hỗn hợp có thể kể tới helium siêu lỏng, trạng thái cô đặc Bose-Einstein, boson nguyên tử, …

Helium khiến chúng ta đau đầu, theo nghĩa "bóng"

Buồn cười thay, helium cũng là thứ khí bơm vào bóng bay. Nhưng hãy tạm bỏ qua màn chơi chữ nhố nhăng, ta bay vào thế giới của vật lý hạt.

Cuộc đời của heli gắn chặt với số Hai: số nguyên tố của Heli là 2, nó là nguyên tố nhẹ thứ hai cũng như nhiều thứ hai trong Vũ trụ (đứng sau Hydro), lượng Heli tương đương 24% tổng khối lượng nguyên tố, nhiều gấp 12 lần tổng khối lượng tất cả các nguyên tố nặng hơn nó cộng lại. Nó có thể là sản phẩn của cả hai hoạt động hợp hạch và phân rã phóng xạ.

Trong Vũ trụ, phần lớn heli là heli-4, xuất hiện từ Vụ nổ Big Bang.

Vụ nổ Bing Bang, khởi nguồn của vật chất trong Vũ trụ.

Khi đủ lạnh, một nhóm nguyên tử của heli-4 sẽ cùng bước vào trạng thái lượng tử. Kể cả khi chúng nằm trải rộng một khu vực rộng lớn, chúng sẽ vẫn biết các hạt khác trong nhóm nguyên tử đang "sống ra sao", có trạng thái gì. Điều này cho phép các nguyên tử heli chảy mà không bị ma sát, không có tính nhầy – heli bước vào trạng thái siêu lỏng.

Còn có một loại heli khác là đồng vị heli-3 có một hạt neutron duy nhất – tức là có 2 proton, 2 electron nhưng chỉ có 1 neutron, có nghĩa nguyên tử heli này không phải một boson hỗn hợp. Nó chính là một fermion. Khi nhiệt độ giảm, những nguyên tử heli vừa nêu không bước vào trạng thái lượng tử, chúng không thể biến thành vật chất siêu lỏng.

NHƯNG, nếu đủ lạnh, hai nguyên tử heli-3 có thể ghép đôi để biến thành một boson hỗn hợp. Điều đó có nghĩa heli-3 ở nhiệt độ đủ thấp sẽ mang tính siêu lỏng.

Cả heli-3 và heli-4 đều không thể biến thành dạng rắn tại áp suất khí quyển. Thay vào đó, chúng rắn lại ở khoảng 20-40 atm (1 atm = 101.325 Pascal, tương đương áp suất cột thủy ngân cao 760 mm tại nhiệt độ 0 độ C, với gia tốc trọng trường 9.8 m/s2).

Nếu tồn tại dưới dạng rắn, ở một nhiệt độ chính xác, người ta dự đoán heli-4 sẽ bước vào trạng thái siêu rắn còn heli-3 – bản thân không phải là một hạt boson – sẽ không thể hóa siêu rắn. Vấn đề hóc búa nằm ở chỗ trạng thái siêu rắn rất khó nắm bắt, nó lẩn khuất đâu đó trong thể rắn của heli.

Trạng thái siêu rắn rất khó nắm bắt, nó lẩn khuất đâu đó trong thể rắn của heli.

Siêu rắn là gì?

Khi ta thấy một vật chất chảy mà không gặp ma sát, ta biết nó bước vào trạng thái siêu rắn. Nhưng sao lằng nhằng thế? Đã "rắn" rồi thì sao còn chảy được nữa, mà tại sao dấu hiệu nhận biết của việc "rắn" lại là nhìn vào thấy nó chảy?

Giải thích:

Khi heli, dù là đồng vị heli-3 hay heli-4, rắn lại, nó sẽ tinh thể hóa. Nghĩa là rất cả nguyên tử xếp lại thành một mạng lưới tinh thể. Khi rắn lại, một số vị trí đáng lẽ sẽ phải có nguyên tử nhưng lại không hề có. Những nguyên tử khác bay vô định trong không gian. Khi đưa thêm áp suất vào heli, các nguyên tử sẽ bay vào những vị trí trống, cùng lúc đó sẽ lại bỏ ví trí hiện tại của chúng. Khi các nguyên tử cứ thay đổi chỗ cho nhau như thế, đó chính là lúc chúng "chảy".

Để chảy, các nguyên tử phải có đủ năng lượng để bay từ chỗ này sang chỗ khác. Nhưng khi nhiệt độ giảm xuống càng thấp, năng lượng của các nguyên tử càng ít đi và chúng sẽ đứng ngày càng im. Theo đúng tính chất đó, tốc độ chảy sẽ phải giảm tỉ lệ thuận với nhiệt độ.

Nhưng nếu một vật chất có trạng thái siêu rắn, nguyên tử sẽ có thể di chuyển từ khoảng trống này sang khoảng trống khác nhờ đặc tính lượng tử có được khi đạt trạng thái siêu rắn, các hạt sẽ "bảo" nhau đâu có chỗ trống và cứ thế bay vào trám chỗ. Hiệu ứng lượng tử lại mạnh hơn khi nhiệt độ giảm xuống càng thấp, thế là nghịch lý xảy ra: nhiệt độ càng thấp, thì tốc độ chảy lại càng cao.

Quan sát và nghiên cứu chỉ ra rằng khi nhiệt độ heli-4 giảm, tốc độ chảy của chúng sẽ tăng. Kém may mắn thay, heli-4 không thể là đứa con cưng được sủng ái, không thể là chìa khóa mở ra mọi cánh cửa bí ẩn: đặc tính dẻo của trạng thái rắn ngăn cản điều đó xảy ra.

Khi nhiệt độ giảm, hai khái niệm "giảm nhiệt độ-giảm năng lượng-giảm tốc độ chảy" và "giảm nhiệt độ-rắn lại-thuộc tính lượng tử xuất hiện-tăng tốc độ chảy" cùng xuất hiện, liệu rằng việc rắn lại có khiến kết quả bị thay đổi? Liệu có phải khi heli-4 rắn lại, chúng di chuyển thành một cục với tính dẻo khiến cảm biến chuyển động phát hiện ra dòng chảy?

Tốc độ chảy thực chất giảm khi nhiệt độ xuống thấp, y hệt như những gì xảy ra với heli-3 ở nhiệt độ thường.

Ta cần loại bỏ tính dẻo khi heli rắn lại, vì thế ta nhờ tới đồng vị heli-3

Họ tìm tới heli-3 bởi vì nó không biến thành trạng thái siêu rắn khi nhiệt độ giảm xuống thấp.

Liên tục thử nghiệm với heli-3, các nhà khoa học phát hiện ra tốc độ chảy thực chất giảm khi nhiệt độ xuống thấp, y hệt như những gì xảy ra với heli-3 ở nhiệt độ thường. Vì tính dẻo của heli-3 gần tương đương với heli-4, các nhà nghiên cứu loại bỏ được nó khỏi dấu hiệu nhận biết trạng thái siêu rắn.

Trên thực tế, cách chảy của heli-4 rất khác heli-3, có thể khẳng định nếu sử dụng heli-4 làm dấu hiệu nhận biết siêu rắn sẽ là sai – tính dẻo của vật thể rắn sẽ làm thay đổi kết quả cuối cùng.

Các nhà khoa học thực hiện nghiên cứu đã bất ngờ khi phát hiện ra ở nhiệt độ thấp nhất có thể, tốc độ chảy của heli-3 không giảm nữa. Trạng thái siêu rắn không xuất hiện, nhưng heli-3 KHÔNG cho thấy những đặc tính của một chất rắn thông thường nữa.

Như đã nói ở trên, heli-3 có thể biến thành dạng siêu lỏng ở nhiệt độ rất thấp, bởi những nguyên tử đơn lẻ có thể kết cặp để tạo thành hạt boson, cho heli-3 tính siêu lỏng. Các nhà khoa học chưa thể kéo nhiệt độ xuống đủ thấp để heli-3 có thể biến thành siêu rắn, nhưng có thể, chỉ là có thể thôi, khi hai nguyên tử ghép đôi, trạng thái siêu rắn của heli-3 sẽ xuất hiện.

Ta chưa thể khẳng định thể siêu rắn có tồn tại, nhưng bằng heli-3, ta đang tiến tới gần hơn mục đích đó.