Một dạng vật chất khó nắm bắt được gọi là chất lỏng spin lượng tử không phải là chất lỏng và nó không quay – nhưng nó chắc chắn là lượng tử.
Được dự đoán cách đây gần 50 năm, chất lỏng spin lượng tử từ lâu đã trốn tránh sự phát hiện cuối cùng trong phòng thí nghiệm. Nhưng giờ đây, một mạng lưới các nguyên tử siêu lạnh được giữ cố định bằng tia laser đã cho thấy những dấu hiệu nổi bật của dạng vật chất được tìm kiếm từ lâu, các nhà nghiên cứu báo cáo trên tạp chí Science hôm 3/12 .
Sự vướng víu lượng tử trở nên quá tải trong vật liệu mới. Ngay cả các nguyên tử ở các phía đối diện của mạng tinh thể cũng chia sẻ sự vướng víu, hay các liên kết lượng tử, nghĩa là các đặc tính của các nguyên tử ở xa nhau có tương quan với nhau. Nhà vật lý Giulia Semeghini thuộc Đại học Harvard, đồng tác giả của nghiên cứu mới cho biết: Nó rất, rất vướng víu. “Nếu bạn chọn bất kỳ hai điểm nào trong hệ thống của mình, chúng sẽ được kết nối với nhau thông qua sự vướng víu khổng lồ này.” Các nhà nghiên cứu cho biết, sự vướng víu tầm xa mạnh mẽ này có thể tỏ ra hữu ích cho việc xây dựng máy tính lượng tử.
Vật liệu mới phù hợp với các dự đoán về chất lỏng spin lượng tử, mặc dù cấu trúc của nó hơi khác so với dự đoán thông thường. Trong khi ý tưởng truyền thống về chất lỏng spin lượng tử dựa trên thuộc tính lượng tử của spin, tạo ra từ trường cho các nguyên tử, thì vật liệu mới dựa trên các đặc tính nguyên tử khác nhau.
Một chất lỏng spin lượng tử tiêu chuẩn sẽ nảy sinh giữa các nguyên tử có spin xung đột với nhau. Spin khiến các nguyên tử hoạt động như những nam châm cực nhỏ. Thông thường, ở nhiệt độ thấp, những nguyên tử đó sẽ sắp xếp các cực từ của chúng theo một mô hình đều đặn. Ví dụ, nếu một nguyên tử hướng lên, các nguyên tử lân cận của nó hướng xuống. Nhưng nếu các nguyên tử được sắp xếp theo một hình tam giác, chẳng hạn, mỗi nguyên tử có hai lân cận mà bản thân chúng hướng về các hướng ngược nhau. Sự sắp xếp đó khiến cái thứ ba không còn chỗ nào để xoay chuyển – nó không thể chống lại cả hai người hàng xóm của nó cùng một lúc.
Vì vậy các nguyên tử trong chất lỏng spin lượng tử từ chối lựa chọn ( SN: 9/21/21 ). Thay vào đó, các nguyên tử cuộn lại trong một chất chồng lên nhau, một sự kết hợp lượng tử của spin lên và xuống, và trạng thái của mỗi nguyên tử được liên kết với trạng thái của các nguyên tử. Các nguyên tử liên tục dao động và không bao giờ lắng xuống thành một sự sắp xếp có trật tự của các spin, tương tự như cách các nguyên tử trong chất lỏng bình thường bị phân tán thay vì sắp xếp theo một kiểu lặp lại thường xuyên, do đó có tên như vậy.
Khó có bằng chứng cụ thể về chất lỏng spin lượng tử trong vật liệu rắn. Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu đã có một hướng đi khác: Họ tạo ra một vật liệu nhân tạo bao gồm 219 nguyên tử rubidi bị mắc kẹt được làm lạnh đến nhiệt độ khoảng 10 microkelvins (khoảng –273,15 ° C). Mảng các nguyên tử, được biết đến như một bộ mô phỏng lượng tử có thể lập trình được, cho phép các nhà khoa học tinh chỉnh cách các nguyên tử tương tác để nghiên cứu các dạng vật chất lượng tử kỳ lạ.
Trong thí nghiệm mới, thay vì spin của các nguyên tử đối lập nhau, một tính chất khác đã tạo ra sự bất đồng. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng tia laser để đưa các nguyên tử vào trạng thái Rydberg , nghĩa là một trong các điện tử của nguyên tử bị va chạm đến mức năng lượng rất cao ( SN: 8/29/16 ). Nếu một nguyên tử ở trạng thái Rydberg, các nguyên tử lân cận của nó không muốn như vậy. Thiết lập đó dẫn đến sự bất hòa của Rydberg, tương tự như trận chiến quay lên và hạ xuống trong một chất lỏng spin lượng tử truyền thống.
Các nhà khoa học đã xác nhận hiệu ứng chất lỏng spin lượng tử bằng cách nghiên cứu đặc tính của các nguyên tử rơi dọc theo các vòng được tìm thấy trong vật liệu. Theo toán học lượng tử, những nguyên tử đó lẽ ra phải thể hiện những đặc tính nhất định chỉ có ở chất lỏng spin lượng tử. Kết quả phù hợp với kỳ vọng đối với một chất lỏng spin lượng tử và tiết lộ rằng hiện tượng vướng víu tầm xa.
Đáng chú ý, sự vướng víu của vật liệu là cấu trúc liên kết. Điều đó có nghĩa là nó được mô tả bởi một nhánh của toán học gọi là cấu trúc liên kết, trong đó một đối tượng được xác định bởi các tính chất hình học nhất định , ví dụ, số lỗ của nó ( SN: 10/4/16 ). Cấu trúc liên kết có thể bảo vệ thông tin khỏi bị phá hủy: Ví dụ: một chiếc bánh mì tròn rơi khỏi quầy sẽ vẫn có chính xác một lỗ. Tính năng lưu giữ thông tin này có thể là một lợi ích cho các máy tính lượng tử, vốn phải vật lộn với thông tin lượng tử mỏng manh, dễ bị phá hủy khiến các phép tính có thể mắc sai lầm ( SN: 6/22/20 ).
Nhà vật lý lý thuyết Christopher Laumann của Đại học Boston, người không tham gia nghiên cứu, cho biết vật liệu có thực sự đủ tiêu chuẩn là chất lỏng spin lượng tử hay không, mặc dù không dựa trên spin, tùy thuộc vào sự lựa chọn ngôn ngữ của bạn. Một số nhà vật lý sử dụng thuật ngữ “spin” để mô tả các hệ thống khác với hai lựa chọn khả thi, bởi vì nó có cùng một toán học với spin nguyên tử có thể hướng lên hoặc hướng xuống. “Lời nói có ý nghĩa, cho đến khi chúng không có nghĩa,” anh châm biếm. Tất cả phụ thuộc vào cách bạn quay chúng.
Theo: Sciencenews.
