Thuật giả kim của thế kỷ 21: Khi một chùm sáng có thể biến chì thành vàng ròng

Từ Cô bé lọ lem đến Aladin và cây đèn thần, mọi phép màu trong truyện cổ tích đều xảy ra sau một luồng ánh sáng rực rỡ. Aladin có được bữa ăn sang trọng đầu tiên trong đời với 12 chiếc đĩa bạc. Cô bé lọ lem đã có một cỗ xe được biến ra từ quả bí ngô, những con ngựa trắng từ 4 chú chuột bạch và một bộ váy dạ tiệc lộng lẫy từ chính bộ đồ rách rưới cô bé đang mặc.

Đó hoàn toàn là phép thuật! Nhưng liệu các nhà khoa học có thể tái hiện được phép thuật đó trong phòng thí nghiệm của mình hay không? Hãy tưởng tượng họ tạo ra một luồng sáng, và chùm ánh sáng đó có thể biến một vật chất này thành vật chất khác.

Quả thực, một thuật giả kim của thế kỷ 21 - về nguyên tắc có thể biến chì thành vàng, biến mọi vật liệu thông thường thành những vật chất quý giá như siêu dẫn.

Từ nhiều thập kỷ trước, các nhà khoa học đã muốn hiện thực hóa những ý tường này bằng cách can thiệp vào đám mây electron của các nguyên tử và phân tử. Như chúng ta biết, các nguyên tử và phân tử có số lượng và phân bố electron khác nhau quyết định đến tính chất của mọi vật liệu.

Ý tưởng là nếu có thể can thiệp và thay đổi đám mây electron này, các nhà khoa học cũng có thể biến một vật bất kỳ thành một vật khác. "Về cơ bản, bạn có thể làm cho mọi thứ trông giống như bất cứ thứ gì bạn muốn", tiến sĩ Gerard McCaul đến từ Đại học Tulane ở New Orleans cho biết.

Anh và các đồng nghiệp của mình hiện đang phát triển một chiến lược sử dụng ánh sáng laser có xung ngắn để viết lại tính chất hóa học của vật chất. Liệu công nghệ này có thể biến một quả bí ngô thành xe ngựa được hay không?

Về mặt lý thuyết, những gì công nghệ này có thể làm được chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng của chúng ta. Hãy cùng xem phép màu đã được các nhà khoa học tạo ra trong phòng thí nghiệm của họ như thế nào?

Phía sau những luồng sáng

Ngay sau khi tia laser được phát minh vào đầu những năm 1960, nhiều nhà nghiên cứu nhanh chóng nhận ra công nghệ tạo ra ánh sáng này ẩn chứa một sức mạnh vô cùng quyền năng. Bởi các đám mây electron có thể cảm nhận và phản ứng với trường điện từ xung quanh laser, những tia sáng này về bản chất có thể được sử dụng để điều khiển từng phân tử.

Nhưng để thực sự điều khiển một thứ gì đó, điều kiện cần là họ phải có được khả năng tạo ra những thao tác trong khoảng thời gian ngắn hơn thời gian thay đổi quỹ đạo của vật thể. Nói một cách đơn giản và dễ hình dùng thì bạn phải đủ nhanh để bắt được nó trước đã.

Hãy tưởng tượng những cú ra tay của bạn phải nhanh đến cỡ nào để bắt được một con muỗi đang bay trước mặt mình? Đối với các phân tử và electron, đó là một khoảng thời gian cực kỳ, cực kỳ ngắn, ngắn hơn thế rất rất nhiều.

Công nghệ laser vào thập niên 60 đơn giản là chưa thể tạo ra các xung đủ ngắn để cung cấp một chuỗi các tác động đủ nhanh lên phân tử và đám mây electron. Giấc mơ giả kim thuật bằng các tia laser khi đó đã buộc phải hoãn lại.

Cỗ máy phát laser đầu tiên trên thế giới bên cạnh hai nhà khoa học phát minh ra nó: James P. Gordon bên phải, và Charles H. Townes bên trái.

Tuy nhiên, vào cuối những năm 1980 và đầu thập niên 1990, với công nghệ laser mới được cải tiến, các nhà khoa học đã có thể giảm xung của các tia sáng xuống ngưỡng femto giây (một femto giây bằng 10 –15 giây), gần sát với khung thời gian của chuyển động nguyên tử.

Giới hạn bị phá vỡ đã cho phép họ sử dụng laser để kích thích và thăm dò các chuyển động của nguyên tử một cách có chọn lọc. Đến đầu những năm 1990, Herschel Rabitz, một nhà hóa học tại Đại học Princeton và các đồng nghiệp của ông đã chứng minh con người có thể kiểm soát được chuyển động dưới mức độ nguyên tử bằng cách sử dụng laser xung định hình.

Laser xung định hình là các dạng sóng phức tạp có thể hướng dẫn hành vi phân tử theo những con đường cụ thể. Thật may mắn và trùng hợp, công nghệ định hình xung laser đã được phát triển vào thời điểm đó trong lĩnh vực viễn thông quang học, nhằm phát ra tín hiệu có thể truyền đi trong cáp quang.

Thách thức lớn còn lại bây giờ chỉ là biết được quỹ đạo của một hệ thống phân tử, với các thành phần nhỏ đến mức lượng tử.

Để kiểm soát đường đi của một đối tượng lớn — chẳng hạn như một chiếc dù lượn — bạn cần biết quỹ đạo của nó. Đối với một hệ thống cơ học lượng tử, điều này tương đương với việc biết hàm sóng phát triển như thế nào theo thời gian được xác định bởi một hàm toán học gọi là Hamilton.

Biết hàm Hamilton nghĩa là bạn sẽ biết đường đi của hạt lượng tử để nắm bắt nó. Nhưng vấn đề là trong tất cả các hệ lượng tử - chỉ trừ hệ đơn giản nhất như nguyên tử hydro – Hamilton đều là một hàm số rất phức tạp. Nó phức tạp đến nỗi các nhà nghiên cứu khó có thể tính toán chính xác động lực học của hàm sóng.

Trong trường hợp không có hàm Hamilton để tính toán trước xung điều khiển bạn cần, giải pháp thay thế duy nhất là thử và sai: Các nhà khoa học sẽ thử một số xung điều khiển ban đầu và sau đó lặp lại nó bằng cách chạy lại cùng một thử nghiệm.

Hãy tưởng tượng một phi công dù lượn học cách hạ cánh bằng cách thử các chuyển động ngẫu nhiên của cần điều khiển và sau đó dần dần tinh chỉnh các chuyển động đó khi thấy chúng hoạt động.

Hàm sóng Hamilton của một hệ vật chất rất phức tạp.

Nhưng thử và sai trên một hệ lượng tử sẽ phức tạp hơn nhiều, dù nó có phần ít nguy hiểm hơn đến tính mạng. Để sử dụng công nghệ định hình xung, bạn sẽ phải thêm nhiều tần số vào hệ laser.

Thách thức là phải tìm ra tổ hợp tần số nào là đúng. "Nó giống như một cây đàn piano, còn hơn thế, vì nó có khoảng 128 phím", Rabitz nói. Ngày nay, việc định hình xung có thể liên quan đến một nghìn thành phần tần số hoặc thậm chí nhiều hơn nữa.

Để biến điều đó trở thành khả thi, tiến sĩ McCaul đang làm việc với Denys Bondar tại Đại học Tulane để mô tả một sơ đồ lý thuyết nhằm tính toán trước các xung laser cần thiết để can thiệp vào vật liệu.

Trong cơ học lượng tử, một thuộc tính cụ thể của một chất - ví dụ như độ dẫn điện, độ trong suốt hay hệ số phản xạ quang học của nó - tương ứng với giá trị trung bình hoặc "giá trị kỳ vọng" của một đại lượng có thể quan sát được. Nếu bạn có hàm sóng của một chất và bạn biết loại xung ánh sáng bạn đang sử dụng, bạn có thể dự đoán kết quả — giá trị kỳ vọng — bạn có sau khi chiếu chúng.

Nhóm của Bondar đã đảo ngược vấn đề: Bây giờ bạn có thể bắt đầu với kết quả bạn muốn đạt được (giá trị kỳ vọng) và tính toán xung ánh sáng sẽ tạo ra nó. Để làm được điều này, bạn cũng cần biết hàm sóng của hệ thống, hay tương đương là Hamilton của nó — một nhiệm vụ trước đó đã nói là không thể.

Nhưng điều này cũng không sao, miễn là bạn có thể xác định một giá trị gần đúng đủ tốt: một loại hàm sóng "mô hình" đủ gần để nắm bắt các đặc điểm quan trọng của sóng thật.

Bằng cách này, các nhà nghiên cứu đã tìm ra cách để thao tác vào đám mây electron để biến tính từ một tập hợp phân tử nhỏ đến những chất rắn lớn, cồng kềnh với cả biển electron bay xung quanh chúng.

"Chúng tôi xem hệ thống như một đám mây electron, và chúng tôi bắt đầu làm biến dạng đám mây đó", Bondar nói. "Xung điều khiển tạo ra một con đường vẽ trước mà các electron buộc phải tuân theo, vì vậy cách tiếp cận được gọi là điều khiển theo dấu".

Gerard McCaul, một nhà vật lý lý thuyết tại Đại học Tulane, đã chỉ ra chính xác những loại xung ánh sáng cần thiết để thay đổi đặc tính của vật liệu.

Christian Arenz, một nhà hóa học lý thuyết trong nhóm của Rabitz tại Princeton giải thích rằng cách tiếp cận này giúp việc tìm kiếm trường kiểm soát phù hợp hơn, nó sẽ giúp các nhà khoa học có thể thao tác với các đặc tính của một chất dễ dàng hơn nhiều.

"Tôi tin rằng công việc này sẽ truyền cảm hứng rất nhiều cho các phương pháp kiểm soát vật liệu trong tương lai", Arenz nói. Về cơ bản, họ đã nắm trong tay một công nghệ biến một thứ này thành thứ khác.

Định hình lại một khối vật liệu rắn

Thứ công nghệ mà chúng ta đang nói đến ở đây được gọi là "quantum coherent control" - QCC hay điều khiển các quá trình động học lượng tử bằng ánh sáng.

Phần lớn các công trình nghiên cứu ban đầu trong lĩnh vực này đều chỉ nhắm đến việc tạo ra những thay đổi rõ ràng trong các phân tử riêng lẻ. Ví dụ, các nhà khoa học có thể bơm năng lượng một liên kết hóa học nhất định để làm cho nó rung động đến điểm đứt, và nhờ đó điều khiển quá trình phản ứng hóa học xảy ra.

Mục tiêu bây giờ - điều khiển nhiều electron cùng một lúc trong một vật liệu là một thử thách khó khăn hơn rất nhiều.

Khi các nguyên tử kết hợp với nhau trong chất rắn, các lớp electron ngoài cùng của các lớp vỏ nguyên tử sẽ chồng lên nhau và tạo thành các "dải" kéo dài khắp vật liệu. Các tính chất điện tử và quang học phụ thuộc vào chính tính chất của các dải này.

Ví dụ trong kim loại, các electron có năng lượng cao nhất chiếm không gian trong một dải không bị lấp đầy. Cũng chính vì thế, electron có thể di chuyển trong mạng nguyên tử. Mà có dòng dịch chuyển có nghĩa là vật liệu có thể dẫn điện.

Trong khi đó với vật liệu cách điện, vùng năng lượng cao nhất mà các electron chiếm hoàn toàn được lấp đầy, vì vậy không có "khoảng trống" nào cho các electron này di chuyển nữa. Chúng định xứ vĩnh viễn trên các nguyên tử của chúng, và vật liệu sẽ không có tính dẫn điện là vì thế.

Các loại hành vi electron kỳ lạ hơn có thể phát sinh từ các hiệu ứng cơ học lượng tử làm cho chuyển động của các electron phụ thuộc lẫn nhau (có nghĩa là có tương quan), giống như chuyển động của các nhóm người trong cùng một đám đông.

Ví dụ, trong các chất siêu dẫn (có điện trở gần như bằng 0), các electron có năng lượng cao nhất tạo thành cặp tương quan (gọi là cặp Cooper) chuyển động đồng bộ mặc dù hai electron có thể cách nhau một khoảng. Nó giống như một người đuổi theo một người khác trong đám đông.

Chuyển động của cặp Cooper trong vật liệu siêu dẫn.

Các cặp Cooper này đều hoạt động giống nhau, tạo cho chúng một động lượng không thể ngăn cản. Chính điều này đã làm nên tính siêu dẫn dẫn điện của vật liệu siêu dẫn, trong đó dòng điện có thể được truyền đi mà không gặp bất kỳ lực cản nào như thể các electron không còn nhận thấy mạng tinh thể bên dưới của hạt nhân nguyên tử. Mức năng lượng hao phí khi truyền điện cũng gần như bằng 0.

Vấn đề là vật liệu siêu dẫn rất hiếm. Thông thường để tìm thấy chúng, bạn cần phải đi câu trong một biển hoán vị của các phần tử khác nhau. Nghiên cứu vật liệu siêu dẫn vì thế rất chậm và tốn nhiều công sức — nó đòi hỏi một ​​lượng thời gian và nỗ lực khổng lồ dành cho việc phát triển các vật liệu siêu dẫn mới.

Bây giờ, hãy tưởng tượng với một chiếc đũa thần laser trong tay, bạn có thể biến một vật liệu thông thường thành vật chế siêu dẫn, nhờ vào các xung ánh sáng giúp phân bố lại electron trong mạng kim loại của chúng.

Theo ý tưởng này, cấu trúc dải điện tử không phải là thứ cố định bởi chính vật liệu. Thay vào đó, các dải này trở thành một loại bột nhão có thể được đúc thành bất kỳ dạng nào bạn muốn.

Chẳng hạn, bạn chỉ cần tìm ra một xung laser phù hợp là đã có thể nối một dãy các electron di động thành các cặp Cooper. Bằng cách này, bạn có thể biến mọi vật liệu rẻ tiền như sắt hay đồng thành một vật liệu siêu dẫn, một thứ còn đắt giá hơn cả vàng.

George Booth, nhà vật lý lý thuyết tại Đại học King's College London, cho biết hiện đã có một số nghiên cứu sơ khai mở rộng ứng dụng này sang lĩnh vực chất rắn, nơi có các hiệu ứng tương quan electron mạnh.

Giới hạn của những biến hóa

Đến đây, bạn có thể cho rằng phương pháp này thật ra chỉ có thể giả mạo được vẻ bề ngoài của vật thể. Nó giống với những nhà giả kim thuật lừa đảo, những người đã tuyên bố tạo ra vàng nhưng chỉ làm biến tính bề mặt của một kim loại khác, làm cho nó tạo ra cảm giác nhìn giống với vàng đúc nhưng bên trong thì vẫn là thứ kim loại cũ kỹ rẻ tiền.

Denys Bondar, một nhà vật lý lý thuyết tại Tulane, tin rằng chúng ta có thể thực hiện một thuật toán phân tích nhân tử lượng tử trong một thiết bị tính toán quang học.

Nhưng Bondar không đồng ý, ông nói sự biến đổi mà ánh sáng gây ra "thực sự là cơ bản". Để biến một nguyên tử kim loại kiềm (như natri) bắt chước được đặc tính quang học của một nguyên tử kim loại khác (như rubidi), bạn phải sử dụng chùm tia điều khiển để thao túng mômen lưỡng cực của các nguyên tử — đó là việc thao túng vào cách phân bố điện tích của mỗi nguyên tử trong không gian không đồng nhất, xác định tương tác của nó với điện trường của ánh sáng.

"Mômen lưỡng cực ảnh hưởng đến những thứ khác - bao gồm một số tính chất hóa học", Bondar nói. Vì vậy, sự biến đổi này không chỉ đơn thuần là thay đổi vẻ bề ngoài, nó còn ảnh hưởng sâu hơn vào bản chất vật thể.

Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là các nhà giả kim thuật của thế kỷ 21 có thể sử dụng laser để biến bất kỳ chất nào thành một chất khác. Michael Först, một nhà vật lý tại Đơn vị nghiên cứu Cấu trúc và Động lực học của Vật chất ở Viện Max Planck Hamburg, Đức, cho rằng công nghệ này chỉ khả thi trong việc tạo ra các hành vi trong vật liệu có khả năng tồn tại ở những điều kiện nhất định.

Điều đó có nghĩa là "chúng ta không thể bắt chước phản ứng của một vật liệu nếu nó hoàn toàn không tồn tại", ông nói. "Các thuộc tính muốn tồn tại ở trạng thái cân bằng thì phải kèm thêm một điều kiện nào đó — chẳng hạn như một nhiệt độ hoặc áp suất khác hoặc trong một môi trường từ trường khác — ở đó vật liệu mới giữ được đặc tính mà bạn đang tìm kiếm".

Điều đó có nghĩa là để trả giá cho một tính chất nào đó của vật liệu, bạn phải đưa nó vào một thế giới song song khác, ở đó, các đặc tính như áp suất hoặc nhiệt độ không hề giống với thế giới thực tại bên ngoài. Hãy tưởng tượng, bạn có thể biến chì thành vàng trong một chiếc hộp trong suốt, bên trong đó nhiệt độ có thể âm hàng trăm độ C và áp suất có thể bóp nghẹt cổ bạn.

Nó cũng có nghĩa là bạn chỉ có thể ngắm nhìn miếng vàng trong chiếc hộp, mà thực sự không thể chạm tới hay sở hữu nó. Nếu bạn đập bể chiếc hộp kính, vàng sẽ biến trở lại thành chì. Điều này đảm bảo cho thế giới của chúng ta có thể tồn tại mà không bị lạm phát bởi bất kỳ một nhà giả kim nào.

Bạn chỉ có thể ngắm nhìn miếng vàng trong chiếc hộp, mà thực sự không thể chạm tới hay sở hữu nó.

Đến đây, bạn có thể hỏi vậy mục đích cuối cùng của công nghệ giả kim thuật laser là gì, nếu nó không dùng để biến chì thành vàng?

Trên thực tế, các nhà nghiên cứu chỉ đang cố gắng đánh thức những tính chất tiềm năng của chính vật liệu, vốn vật liệu đó đã sở hữu tính chất đó nhưng không thể hiện ra ở điều kiện áp suất khí quyển và nhiệt độ phòng.

Chẳng hạn Först bây giờ đang nghiên cứu bằng thực nghiệm để tạo ra hiệu ứng siêu dẫn kích thích nhờ ánh sáng. Vấn đề không phải là tạo ra siêu dẫn từ con số 0, mà là đưa vật liệu đến một nhiệt độ cao hơn với các điều kiện để nó tự nhiên có tính siêu dẫn.

"Xung ánh sáng của chúng tôi chỉ đánh thức nó mà thôi", Först nói. Michele Buzzi, một đồng nghiệp của Först tại Viện Max Planck cũng đồng ý như vậy: "Bạn có thể truy cập các trạng thái rất thú vị của một vật liệu bằng công nghệ này, nhưng tôi sẽ không nói quá lên rằng bạn có thể lấy một vật liệu và biến nó thành một thứ hoàn toàn khác".

Christiane Koch đến từ Đại học Tự do Berlin, một nhà nghiên cứu các phương pháp điều khiển lượng tử cho hệ nhiều hạt, cho rằng để thực sự biến đổi được vật liệu ở cấp độ cơ bản, thay vì để nó chỉ bắt chước một cách hời hợt một phản ứng cụ thể, các nhà nghiên cứu sẽ cần phải tìm hiểu rất kỹ vào sâu trong các đám mây electron.

Điều đó sẽ đòi hỏi các chùm laser có năng lượng rất cao, để cường độ của các trường điện từ liên quan sánh ngang với các nội lực định hình cấu trúc electron nội tại. Đó có lẽ vẫn là một mục tiêu khả thi, chỉ có điều nó rất khó mà thôi, Kock nói.

Ứng dụng của công nghệ này là gì?

Bất kể chiến lược thành công đến đâu, những đặc tính bị thay đổi của một vật thể sẽ tồn tại miễn là bạn còn chiếu laser vào chúng và cho chúng ở trong một thế giới song song với các điều kiện nhất định. Bỏ chúng ra khỏi chiếc hộp thủy tinh ma thuật ấy, cấu trúc electron của vật liệu sẽ đàn hồi trở lại trạng thái ban đầu.

Điều này có vẻ vô nghĩa với một người muốn biến chì thành vàng, nhưng thực sự chẳng quan trọng trong một số lĩnh vực ứng dụng – chẳng hạn như thiết bị điện tử. Các nhà khoa học chỉ cần biến ra các thuộc tính của vật liệu cần thiết cho một khoảng thời gian ngắn - vậy là đủ.

Một ứng dụng tiềm năng của công nghệ "quantum coherent control" là trong lĩnh vực điện toán quang học.

Ứng dụng tiềm năng của công nghệ này là lĩnh vực điện toán quang học.

Bondar nói về nguyên tắc, ánh sáng là thứ tuyệt vời nhất ở thời điểm hiện tại mà loài người có được để mang thông tin cho những chiếc máy tính. Hãy nghĩ đến công nghệ cáp quang thay cho cáp đồng, dùng ánh sáng thay cho điện tử.

Bạn có thể nhồi nhét rất nhiều thông tin vào ánh sáng, bằng cách sử dụng nhiều bước sóng khác nhau cùng lúc. Đường truyền vì thế được đẩy lên tốc độ rất cao, với hao phí rất ít. Nhưng ánh sáng cũng có những điểm yếu so với điện tử.

"Không giống như các electron, ánh sáng ghét tương tác với ánh sáng", Bondar nói. Điều đó hạn chế khả năng mã hóa thông tin của chính ánh sáng, khiến nó không phát huy được hết tiềm năng của mình.

Bây giờ với quantum coherent control, Bondar cho biết anh có thể khắc phục điểm yếu đó. Công nghệ này có thể cho phép tạo ra một mảnh vật chất, về nguyên tắc nhỏ chỉ bằng một nguyên tử, được điều khiển bởi một chùm laser. Một chùm tia thứ hai chứa dữ liệu tới sẽ tương tác với vật chất. Tương tác chuyển đổi dữ liệu này có thể cho phép một phép tính được thực hiện.

"Điều này mở ra con đường cho tính toán đơn nguyên tử", Bondar nói. Công nghệ máy tính này có thể tính toán nhanh hơn nhiều so với các máy tính điện tử cổ điển đang được sử dụng.

Tiến thêm một bước nữa, Bondar và McCaul tin rằng họ có thể triển khai một thuật toán phân tích nhân tử lượng tử được gọi là thuật toán Shor, một trong những thuật toán đầu tiên được đề xuất cho máy tính lượng tử.

McCaul cũng hy vọng có thể sử dụng công nghệ "quantum coherent control" để phân tích các hỗn hợp hóa chất phức tạp. Đó là một thách thức đối với các nhà hóa học ngày nay mà một ví dụ điển hình là phân tích thành phần các chất ma túy tổng hợp.

Thông thường, các nhà hóa học tìm ra một chất cụ thể trong hỗn hợp nhờ vào quang phổ của nó – quang phổ của một chất là đặc trưng, nó thể hiện tần số ánh sáng mà nó hấp thụ. "Nhưng các quang phổ của các hợp chất trông có thể tương tự nhau, và vì vậy sẽ rất khó để phân tích được một hợp chất có chứa nhiều thành phần", McCaul nói.

Công nghệ mới bây giờ có thể giúp các nhà hóa học "tắt phản ứng quang học của từng chất một", khiến chúng trở nên vô hình một cách có chọn lọc. McCaul đã chỉ ra về nguyên tắc, điều này có thể được thực hiện.

Do đó, hãy thêm khả năng biến một thứ trở nên tàng hình vào bộ quyền năng của một nhà giả kim trong thế kỷ 21, những nhà khoa học thay vì dùng một chiếc đũa thần sẽ cầm trong tay một cây bút laser kì diệu.

• Học ngay các cách "ngụy trang" này để muỗi "phớt lờ" bạn
• Sử dụng graphene, các nhà khoa học tạo nên pin điện vô hạn
• Bắt được cá mập trắng hơn 50 tuổi nặng gần 1.600kg