Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Thụy Sĩ và Pháp, cùng với các nhà vật lý lý thuyết ở Canada và Mỹ, bao gồm cả Đại học Rice, tin rằng họ đã tìm thấy bằng chứng về một hiện tượng lượng tử mang tính lý thuyết được gọi là chất lỏng spin lượng tử. Hiện tượng này được quan sát thấy trong một vật liệu đặc biệt mang tên pyrochlore cerium stannate, mở ra khả năng về những khám phá mới trong vật lý cơ bản và thậm chí cả những đột phá trong công nghệ máy tính lượng tử.
Trong vật lý vật chất ngưng tụ, chất lỏng spin lượng tử là một pha của vật chất có thể được hình thành bằng cách tương tác các spin lượng tử trong một số vật liệu từ tính nhất định.
Chất lỏng spin lượng tử là gì?
Chất lỏng spin lượng tử là một trạng thái lý thuyết đặc biệt của vật chất, trong đó các hạt từ tính nhỏ không ổn định ở một mô hình cố định, ngay cả khi ở nhiệt độ cực thấp. Thay vì duy trì trạng thái tĩnh, các spin này không ngừng thay đổi, tạo ra các mối liên kết phức tạp và kỳ lạ tương tự như trong cơ học lượng tử. Đặc tính này thậm chí mô phỏng cách ánh sáng và các hạt tương tác trong vũ trụ.
Tuy nhiên, việc chứng minh sự tồn tại của chất lỏng spin lượng tử luôn là thách thức lớn trong cộng đồng khoa học. Các lý thuyết về hiện tượng này đã xuất hiện từ lâu, nhưng dữ liệu thực nghiệm thuyết phục vẫn là điều khó đạt được. Chính vì vậy, việc nhóm nghiên cứu quốc tế quan sát được hiện tượng này lần đầu tiên đã đánh dấu một bước đột phá quan trọng.
Chất lỏng spin lượng tử (QSL) thường được đặc trưng bởi sự vướng víu lượng tử tầm xa, kích thích phân đoạn và không có trật tự từ thông thường.
Nhóm nghiên cứu quốc tế đã phát triển các thí nghiệm tiên tiến như tán xạ neutron và sử dụng các mô hình lý thuyết để khám phá trạng thái vật chất kỳ lạ này. Romain Sibille, trưởng nhóm thí nghiệm tại Viện Paul Scherrer ở Thụy Sĩ, chia sẻ: "Các hạt vật chất phân đoạn, từ lâu được lý thuyết hóa trong chất lỏng spin lượng tử, đòi hỏi những tiến bộ đáng kể về độ phân giải thí nghiệm để được quan sát một cách thuyết phục trong loại vật liệu này".
Tại Viện Laue-Langevin ở Grenoble, Pháp, thí nghiệm tán xạ neutron trên một máy quang phổ chuyên dụng cao đã giúp thu thập dữ liệu có độ phân giải cực cao. "Tán xạ neutron là một công cụ quan trọng trong việc phân tích hành vi của các spin trong nam châm", Andriy Nevidomskyy, phó giáo sư vật lý và thiên văn học tại Đại học Rice, cho biết. Ông cũng nhấn mạnh rằng, phát hiện này là một dấu mốc quan trọng, vì trước đây việc chứng minh chất lỏng spin lượng tử luôn gặp nhiều trở ngại.
Hiện tượng spin và tính chất đặc biệt
Theo lý thuyết lượng tử, các electron sở hữu một tính chất gọi là spin, khiến chúng hoạt động tương tự như các nam châm thanh nhỏ. Khi các electron tương tác, spin của chúng có thể thẳng hàng hoặc ngược chiều. Tuy nhiên, trong một số vật liệu như pyrochlores, sự tương tác này có thể bị gián đoạn, dẫn đến hiện tượng gọi là "sự thất vọng từ tính". Đây là tiền đề để tạo ra chất lỏng spin lượng tử.
Các nhà nghiên cứu giải thích rằng hiệu ứng này làm cho các spin electron chồng chéo nhau, tạo ra các mối tương quan giống như chất lỏng. Điều này xảy ra khi các electron tương tác thông qua việc phát ra và tái hấp thụ photon - các lượng tử ánh sáng. Tương tự, trong chất lỏng spin lượng tử, sự tương tác giữa các spinon (hạt tương đương với spin) cũng diễn ra dưới dạng trao đổi lượng tử tương tự như ánh sáng.
Trạng thái lỏng spin lượng tử lần đầu tiên được đề xuất bởi nhà vật lý Phil Anderson vào năm 1973 như là trạng thái cơ bản cho một hệ thống spin trên một mạng tinh thể hình tam giác tương tác phản sắt từ với các hàng xóm gần nhất của chúng, tức là các spin lân cận tìm cách được căn chỉnh theo các hướng ngược lại.
Nevidomskyy nhấn mạnh rằng: "Sự tương tác giữa các spinon có thể được mô tả giống như cách các electron trao đổi photon trong lý thuyết lượng tử ánh sáng. Điều này mở ra khả năng nghiên cứu các trạng thái vật chất mới và các hạt kỳ lạ." Nhóm nghiên cứu hiện đang tìm kiếm các hiện tượng khác liên quan, bao gồm các hạt đơn cực từ tính, một ý tưởng lý thuyết xuất hiện từ nhiều thập kỷ trước.
Những khám phá này không chỉ làm sâu sắc thêm hiểu biết của chúng ta về vũ trụ mà còn có tiềm năng ứng dụng trong công nghệ. Chẳng hạn, chất lỏng spin lượng tử có thể là nền tảng để phát triển các hệ thống máy tính lượng tử, nhờ khả năng xử lý thông tin phức tạp với độ chính xác cao.
Khám phá về chất lỏng spin lượng tử là minh chứng cho sức mạnh của sự kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm trong khoa học hiện đại. Với những tiến bộ trong công nghệ như tán xạ neutron và các công cụ phân tích tiên tiến, giới khoa học đang tiến gần hơn đến việc hiểu rõ cách thức hoạt động của vật chất ở cấp độ cơ bản nhất.
Trong tương lai, các nghiên cứu về chất lỏng spin lượng tử có thể mở đường cho các ứng dụng đột phá trong nhiều lĩnh vực, từ vật liệu mới đến các hệ thống xử lý dữ liệu tiên tiến. Bước đột phá này không chỉ là thành tựu trong vật lý cơ bản mà còn đánh dấu một bước tiến lớn trong hành trình khám phá những bí mật sâu xa nhất của vũ trụ.
