Thế giới lượng tử kì bí: Siêu lỏng và siêu rắn

Hãy quên đi những vết nhện phóng xạ cắn, những sự chiếu xạ tia gamma, hoặc bất kì tai nạn nào khác trong truyện viễn tưởng phiêu lưu vũ trụ: trong thế giới thực, chính thuyết lượng tử sẽ cho bạn siêu sức mạnh.

Lấy helium làm thí dụ. Ở nhiệt độ phòng, nó là một thú tiêu khiển bình thường: bạn có thể bơm đầy helium vào những quả khí cầu bồng bềnh, hoặc hít nó vào và nói chuyện ra với giọng nghe khọt khẹt. Tuy vậy, ở nhiệt độ dưới khoảng 2 kelvin, nó là một chất lỏng và các nguyên tử của nó bị chi phối bởi các tính chất lượng tử của chúng. Khi đó, nó trở thành siêu tiêu khiển: chất siêu lỏng.

Các va chạm hạt tại thí nghiệm CMS của LHC. (Ảnh: CMS Collaboration/CERN)

Helium siêu lỏng leo lên thành bình chứa và chảy ngược lên trên, không coi lực hấp dẫn ra gì hết. Nó tự nén mình qua những lỗ nhỏ bình thường không chui qua lọt. Nó bất chấp sự ma sát: cho helium siêu lỏng vào trong một cái bát, cho cái bát xoay tròn, và helium siêu lỏng vẫn nằm yên bất động khi cái bát quay tít bên dưới nó. Tuy nhiên, nếu để helium lỏng tự chuyển động, nó sẽ tiếp tục hồi chuyển mãi mãi.

Điều đó thật thú vị, nhưng chẳng có lợi ích gì đặc biệt. Ngược lại có thể nói là các chất siêu dẫn. Những chất rắn này dẫn điện với điện trở bằng không, khiến chúng thật lí tưởng trong việc truyền tải điện năng, dùng trong việc tạo ra những từ trường cực mạnh – để lái các proton vòng quanh Máy Va chạm Hadron Lớn của CERN, chẳng hạn – và trong việc nâng những đoàn tàu siêu tốc.

Chúng ta vẫn chưa hiểu tất cả các chất siêu dẫn hoạt động như thế nào, nhưng dường như nguyên lí bất định có một vai trò nhất định. Ở những nhiệt độ rất thấp, xung lượng của từng nguyên tử hay electron riêng lẻ trong những chất liệu này là rất nhỏ và được biết rất chính xác, nên vị trí của mỗi nguyên tử có sự bất định cao. Thật ra, chúng bắt đầu chồng lấn lên nhau để hướng tới chỗ bạn không thể mô tả chúng một cách riêng lẻ. Chúng bắt đầu tác dụng như một siêu nguyên tử hoặc siêu electron chuyển động mà không có ma sát hoặc điện trở.

Tuy nhiên, tất cả những điều kì lạ này chẳng là gì nếu so với siêu chất rắn. Thí dụ được biết tới duy nhất là helium rắn lạnh xuống trong vòng một độ của không độ tuyệt đối và ở áp suất khoảng 25 lần áp suất khí quyển bình thường.

Dưới những điều kiện này, các liên kết giữa các nguyên tử helium thật yếu, và một số bị phá vỡ để lại một mạng lưới những “chỗ trống” hành xử hầu như giống hệt như những nguyên tử thật sự. Dưới những điều kiện thích hợp, những chỗ trống này hình thành nên ngưng tụ Bose-Einstein dạng lỏng của riêng nó. Dưới những trường hợp nhất định, vật chất này sẽ đi xuyên qua mạng helium bình thường – nghĩa là chất rắn chảy xuyên qua chính nỏ, có vẻ hơi ma quái một chút.

Đặc biệt, siêu sức mạnh này đã được Moses Chan và Eun-Seong Kim thuộc trường đại học Bang Pennsylvania kiểm tra đi, kiểm tra lại dữ liệu của họ về helium rắn trong bốn năm trước khi cuối cùng cho công bố kết quả vào năm 2004 (Nature, vol 427, tr.225). “Tôi không chắc lắm là chúng ta đã thấy hiệu ứng đó”, Chan nói. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã nhìn thấy những dấu hiệu cho thấy có thể theo đuổi bất kì chất liệu kết tinh nào để tiến hành một kì công như thế ở những chỉ một vài phần trên không độ tuyệt đối. Không phải chỉ có siêu nhân mới có thể làm được chuyện đó.

Theo New Scientist

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn