Vũ trụ được điều hành bởi hai tập hợp các định luật vật lý dường như không tương thích – đó là vật lý cổ điển mà chúng ta đã quen dùng trên quy mô của mình và thế giới ma quái của vật lý lượng tử trên quy mô nguyên tử. Các nhà vật lý của MIT hiện đã quan sát thấy khoảnh khắc các nguyên tử chuyển từ trạng thái này sang nguyên tử khác, khi chúng tạo thành “những cơn lốc xoáy lượng tử” hấp dẫn.
Những điều dường như không thể đối với sự hiểu biết hàng ngày của chúng ta về thế giới lại hoàn toàn có thể xảy ra trong vật lý lượng tử. Ví dụ, về cơ bản, các hạt có thể tồn tại ở nhiều nơi cùng một lúc hoặc xuyên qua các rào cản, hoặc chia sẻ thông tin trên những khoảng cách rộng lớn ngay lập tức.
Những hiện tượng này và những hiện tượng kỳ quặc khác có thể phát sinh khi các hạt tương tác với nhau, nhưng thật bực mình là thế giới bao quát của vật lý cổ điển có thể can thiệp và gây khó khăn cho việc nghiên cứu những tương tác mỏng manh này. Một cách để khuếch đại hiệu ứng lượng tử là làm lạnh các nguyên tử xuống một phần nhỏ trên độ không tuyệt đối, tạo ra một trạng thái vật chất được gọi là chất ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) có thể thể hiện các đặc tính lượng tử trên một quy mô lớn hơn, có thể nhìn thấy được.
Đối với nghiên cứu mới, nhóm MIT đã thực hiện điều đó, để điều tra thứ được gọi là chất lỏng Hall lượng tử. Loại vật chất kỳ lạ này được tạo thành từ những đám mây electron bị mắc kẹt trong từ trường, chúng bắt đầu tương tác với nhau theo những cách khác thường để tạo ra hiệu ứng lượng tử. Thay vì các electron, thứ quá khó để nhìn rõ trong hệ thống này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một BEC từ khoảng một triệu nguyên tử natri siêu lạnh.
Martin Zwierlein, tác giả tương ứng của nghiên cứu cho biết: “Chúng tôi nghĩ, hãy làm cho những nguyên tử lạnh này hoạt động như thể chúng là các electron trong từ trường, nhưng chúng tôi có thể kiểm soát chính xác. “Sau đó, chúng ta có thể hình dung những nguyên tử riêng lẻ đang làm gì và xem liệu chúng có tuân theo cùng một vật lý cơ lượng tử hay không.”
Nhóm nghiên cứu đã đặt đám mây nguyên tử này vào một bẫy điện từ, sau đó quay chúng xung quanh với tốc độ 100 vòng mỗi giây. Đám mây kéo dài thành một hình kim dài ngày càng mỏng hơn – và đó là khi các nguyên tử chuyển sang trạng thái lượng tử.
Cấu trúc kim đầu tiên bắt đầu uốn cong qua lại như một con rắn đang chuyển động, sau đó nó vỡ ra thành các đoạn rời rạc. Vẫn quay, những phân đoạn này tạo thành một mô hình tinh thể kỳ lạ mà nhóm nghiên cứu mô tả là một chuỗi các cơn lốc xoáy lượng tử. Hành vi này bị chi phối hoàn toàn bởi tương tác giữa các nguyên tử và có thể có một số hàm ý hấp dẫn đối với cơ học lượng tử và cổ điển.
Zwierlein nói: “Sự tiến hóa này kết nối với ý tưởng về cách một con bướm ở Trung Quốc có thể tạo ra một cơn bão ở đây, do những bất ổn tạo ra sóng gió,” Zwierlein nói. “Ở đây, chúng ta có thời tiết lượng tử: Chất lỏng, chỉ từ sự bất ổn định lượng tử của nó, các mảnh vỡ thành cấu trúc tinh thể của những đám mây và xoáy nhỏ hơn. Và đó là một bước đột phá để có thể nhìn thấy trực tiếp những hiệu ứng lượng tử này ”.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature .
Nguồn: Mit.
