Các nhà khoa học khám phá ra một nam châm lượng tử lạnh hơn 3 tỷ lần so với không gian

Khám phá này có thể giúp các nhà khoa học chế tạo chất siêu dẫn hoặc chất cách điện nhiệt độ cao.
Các nhà khoa học khám phá ra một nam châm lượng tử lạnh hơn 3 tỷ lần so với không gian
Nguồn: Egor Suvorov

"Các nhà vật lý Nhật Bản và Hoa Kỳ đã sử dụng các nguyên tử lạnh hơn khoảng 3 tỷ lần so với không gian để mở ra cánh cổng dẫn đến một lĩnh vực chưa được khám phá của từ tính lượng tử".

Những gì các nhà khoa học phát hiện ra là một loại nam châm lượng tử được tạo ra từ các nguyên tử chỉ ấm hơn một phần tỷ độ so với độ không tuyệt đối, nhiệt độ không thể đạt được nơi mọi chuyển động dừng lại.

Vật chất lạnh hơn không gian sâu
Kaden Hazzard của Đại học Rice, tác giả lý thuyết tương ứng của nghiên cứu, giải thích trong thông cáo báo chí rằng nhóm có trụ sở tại Kyoto, dẫn đầu bởi tác giả nghiên cứu Yoshiro Takahashi, bằng cách sử dụng tia laser để làm mát các fermion của nó, nguyên tử ytterbium, (các hạt bao gồm những thứ như electron và là một trong hai loại hạt mà mọi vật chất đều được tạo thành). Cuối cùng, họ đã tạo ra một nam châm dựa trên đặc tính giống như spin có sáu tùy chọn được gắn nhãn màu.

Nhóm nghiên cứu đã làm nguội các hạt xuống nhiệt độ thấp như vậy bởi vì "vật lý bắt đầu trở nên cơ học lượng tử hơn và nó cho phép bạn nhìn thấy những hiện tượng mới", Hazzard nói.

Cuối cùng, các hành vi lượng tử của các nguyên tử trở nên rõ ràng hơn nhiều khi chúng được làm lạnh trong một phần nhỏ của độ không tuyệt đối. Bằng cách sử dụng tia laze để làm nguội các nguyên tử, việc quan sát chúng dễ dàng hơn khi chuyển động của chúng bị hạn chế trong mạng quang học. Các mạng tinh thể này là các kênh ánh sáng 1D, 2D và 3D có thể được sử dụng như các bộ mô phỏng lượng tử có khả năng giải quyết các vấn đề phức tạp mà máy tính thông thường không thể giải quyết được.

Phòng thí nghiệm của Takahashi ở Nhật Bản đã sử dụng những mạng tinh thể quang học này để mô phỏng mô hình Hubbard, một mô hình lượng tử thường xuyên được sử dụng để khảo sát hành vi từ tính và siêu dẫn của vật liệu.

Như nhóm đã giải thích trong thông cáo báo chí, "Mô hình Hubbard được mô phỏng ở Kyoto có đối xứng đặc biệt được gọi là SU (N), trong đó SU là viết tắt của nhóm đơn nhất đặc biệt, một cách toán học để mô tả đối xứng và N biểu thị các trạng thái quay có thể có của các hạt trong mô hình".

Nguyên tử Ytterbium có sáu trạng thái spin có thể có, và bộ mô phỏng Kyoto là thiết bị đầu tiên tiết lộ các tương quan từ tính trong mô hình SU (6) Hubbard, không thể tính toán trên máy tính.

Đồng tác giả nghiên cứu Eduardo Ibarra-García-Padilla, một sinh viên tốt nghiệp trong nhóm nghiên cứu của Hazzard, cho biết "mô hình Hubbard nhằm mục đích nắm bắt các thành phần tối thiểu để hiểu tại sao vật liệu rắn trở thành kim loại, chất cách điện, nam châm hoặc chất siêu dẫn".

Ibarra-García-Padilla giải thích thêm: "Khả năng thiết kế nó trong phòng thí nghiệm là một điều phi thường. Nếu chúng ta có thể hiểu được điều này, nó có thể hướng dẫn chúng ta tạo ra những vật liệu thực với những đặc tính mới mong muốn".

Các nhà vật lý từ lâu đã quan tâm đến cách các nguyên tử tương tác trong nam châm kỳ lạ như thế này bởi vì họ tưởng tượng những tương tác tương tự xảy ra trong chất siêu dẫn nhiệt độ cao, vật liệu dẫn điện hoàn hảo. Chẳng hạn, bằng cách hiểu rõ hơn những gì xảy ra, họ có thể ghép các chất siêu dẫn tốt hơn.

Những thí nghiệm được thực hiện ở Kyoto đã mở ra cánh cửa cho các nhà vật lý, học cách vận hành của những hệ thống lượng tử phức tạp này bằng cách trực tiếp quan sát chúng hoạt động.

Đỗ Quyên
Theo Interesting engineering
CÙNG CHUYÊN MỤC
ĐỌC THÊM