CHÍNH THỨC: Chúng ta đã có một trạng thái vật chất mới: tinh thể thời gian

Lại một lần nữa, cảnh báo bài viết mang tính chất khó hiểu. Các bạn suy nghĩ trước khi tiếp tục đọc.

Đầu năm nay, các nhà vật lý học đã vẽ ra một bản hướng dẫn cách thức để tạo ra và đo đạc được “tinh thể thời gian” – time crystal, một trạng thái kì lạ của vật chất với cấu trúc nguyên tử không chỉ lặp lại trong không gian mà còn cả trong thời gian, cho phép chúng duy trì trạng thái dao động bất biến mà không cần tới năng lượng.

Tháng Giêng năm nay, hai đội ngũ nghiên cứu cũng đã tạo ra một loại vật chất trông rất giống tinh thể thời gian, cả hai thử nghiệm cũng đã được xét duyệt cẩn thận, khiến cho sự “bất khả thi” đang dần hiện hữu rõ ràng trong thế giới thực hơn bao giờ hết.

“Chúng tôi đã đưa ý tưởng trên giả thuyết, những ý tưởng mà chúng tôi đã nghiên cứu vài năm trở lại đây và thực sự dựng nên một thứ như thế trong phòng thí nghiệm”, nhà nghiên cứu Andrew Potter từ Đại học Texas cho hay. “Mong rằng, với nguyên mẫu đầu tiên này, sẽ còn nhiều thử nghiệm thành công khác được tiến hành”.

Tinh thể thời gian là một trong những thứ “ngầu” nhất mà ngành vật lý hiện đại mang tới cho chúng ta, bởi chúng mở ra cả một thế giới mới của một giai đoạn vật chất có tên không-cân bằng – non-equilibrium, một giai đoạn khác biệt hoàn toàn với bất kì thứ gì các nhà khoa học đã nghiên cứu trong quá khứ. Đã nhiều thập kỷ nay, chúng ta đã nghiên cứu các vật chất như kim loại hay các chất cách điện – những thứ được phân loại là “cân bằng”, trạng thái vật chất mà toàn bộ nguyên tử trong chúng đều có một lượng nhiệt nhất định.

Nhưng tinh thể kim cương là nguyên mẫu đầu tiên của một thứ “không cân bằng” – một trạng thái hoàn toàn khác và bản thân chúng có thể cách mạng hóa cách thức chúng ta lưu trữ và luân chuyển thông tin qua các hệ thống lượng tử. “Nó chỉ cho chúng ta thấy rằng trạng thái của vật chất vẫn còn đa dạng hơn chúng ta biết nhiều lắm”, nhà vật lý học Norman Yao từ Đại học California bày tỏ.

“Một trong những chuẩn mực của vật lý là phải hiểu được những loại vật chất gì tồn tại trong tự nhiên. Trạng thái không-cân bằng này đại diện cho một lĩnh vực hoàn toàn mới, khác biệt hoàn toàn với những gì chúng ta đã nghiên cứu trong quá khứ”.

Thứ tinh thể thời gian này lần đầu tiên được đưa ra ánh sáng bởi nhà vật lý học lý thuyết, người đã từng giành giải Nobel năm 2012, ông Frank Wilczek. Ông nói rằng trên lý thuyết, một cấu trúc vật chất (như của tinh thể thời gian) sẽ có vận động ngay cả ở trạng thái năng lượng thấp nhất của chúng – trạng thái cơ bản.

Thông thường, khi một vật chất ở trạng thái cơ bản thì trên lý thuyết, chúng sẽ không thể vận động được, bởi lẽ vận động cần năng lượng – một thứ không tồn tại ở trạng thái cơ bản. Nhưng Wilczek đoán trước rằng một vật có thể vận động mặc dù chúng đang trong trạng thái cơ bản, bằng cách liên tục sắp xếp thẳng hàng những nguyên tử bên trong chúng liên tục, làm đi làm lại – tức là đưa chúng ra khỏi trạng thái cơ bản rồi lại quay lại, tạo thành một vòng lặp liên hồi.

Đây không phải là thành tố tạo nên động cơ vĩnh cửu – một thứ máy vận hành không bao giờ dừng, bởi lẽ năng lượng không tồn tại bên trong hệ thống này. Nhưng vẫn còn một lý do nữa khiến cho giả thuyết này nghe có vẻ ... bất khả thi.

Nó nói tới một hệ thống bẻ gãy một trong những giả định nổi tiếng nhất, cơ bản nhất của vật lý hiện đại (giả định nhưng vẫn mang tính chất cơ bản), rằng tính đối xứng thời gian - thứ đề ra các quy luật vật lý, đều như nhau ở mọi nơi, mọi lúc. Tính đối xứng thời gian tịnh tiến chính là lý do tại sao ta không thể làm được việc sau đây: lần đầu tiên tung một đồng xu, tỉ lệ sẽ là 50/50 nhưng lần thứ hai tung đồng xu đó lên, ta lại có tỉ lệ 70/30.

Thế mà có những vật thể có thể bẽ gãy tính đối xứng ấy khi chúng đang ở trạng thái cơ bản, điểm quan trọng là chúng không bẻ gãy một định luật vật lý nào. Ví dụ như nam châm với một cực Bắc và một cực Nam (cực dương và cực âm). Ta không rõ làm cách nào mà nam châm lại “tự quyết định” đầu nào thuộc cực nào, nhưng việc nó có cả hai cực đồng nghĩa vừa việc nó sẽ không còn như cũ trong một không gian khác - nó sẽ không đối xứng.

Một ví dụ khác về việc không đối xứng là một tinh thể, với mẫu cấu trúc lặp lại của chúng. Nhưng dù lặp lại liên tục, những nguyên tử bên trong lại “có mong muốn” nằm bên trong lớp lưới tinh thể kia hơn. Vì vậy, nếu bạn quan sát một tinh thể trong môi trường Vũ trụ, nó sẽ có hình dạng khác – các định luật vật lý sẽ không còn đối xứng nữa, bởi nó không áp dụng giống nhau trong các không gian khác nhau.

Với những ý niệm về sự khác nhau của vật chất trong những không gian khác nhau nwh vậy, Wilczek đã đề cập tới việc tạo ra một vật thể có thể tạo ra trạng thái cơ bản không đối xứng không chỉ khác nhau trong không gian (như nam châm hay các tinh thể) mà còn trong cả thời gian nữa.

Hiểu một cách khác, liệu các nguyên tử có “muốn” tồn tại trong các trạng thái khác tại những khoảng thời gian khác nhau? Tua nhanh thời gian đến thời điểm hiện tại, các nhà nghiên cứu Mỹ và Nhật bản đã chứng minh được rằng việc này hoàn toàn khả thi, với một chỉnh sửa nhỏ trong đề cập của Wilczek – để có thể khiến tinh thể chuyển trạng thái liên tục, thỉnh thoảng chúng cần phải được “huých” nhẹ một cái.

Trong nghiên cứu hồi tháng Giêng, Norman Yao mô tả cách thức một hệ thống như vậy được tạo nên, nói rằng nó là một phiên bản “yếu hơn” của việc làm mất cân đối, so với những gì Wilczek đã tưởng tượng ra.

“Cứ như ta đang chơi nhảy dây vậy, khi tay ta quay hai lần mà dây cũng chỉ quay có một lần mà thôi”, Yao nói, và bổ sung thêm rằng trong phiên bản thử nghiệm của Wilczek, sợi dây nhảy sẽ có thể có khả năng tự dao động. “Nó bớt dị thường hơn ý tưởng ban đầu (của Wilczek kia), nhưng vẫn phải công nhận là nó rất dị”.

Hai đội ngũ các nhà nghiên cứu riêng biệt, một của Đại học Maryland và một của Đại học Harvard, đã tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm bản thiết kế của Wilczek, tạo ra hai phiên bản tinh thể thời gian khác nhau như đều có tính chất giống nhau.

“Cả hai hệ thống đều rất tuyệt. Chúng đều có một khía cạnh nào đó rất khác nhau. Tôi nghĩ rằng cả hai đều cực kì đáng khen ngợi”, Yao nói. “Tôi không nghĩ cái nào tốt hơn các nào. Chúng đều thể hiện hai khía cạnh khác nhau của vật lý. Điều thực sự đáng kinh ngạc là bạn có thể nhìn thấy cùng một hiện tượng lạ trong hai hệ thống khác nhau rất nhiều".

Đội ngũ nghiên cứu tại Đại học Maryland đã tạo ra tinh thể thời gian của họ bằng cách sắp xếp một dãy 10 ion nguyên tố Ytebi (yttebium), tất cả đều được làm rối với các vòng xoay electron.

Chuỗi ion của Đại học Maryland.

Điểm mấu chốt của việc biến hệ thống kia thành một tinh thể thời gian là giữ cho các ion nằm ngoài trạng thái cân bằng, và để làm được việc đó, các nahf nghiên cứu đã bắn hai tia laser vào chúng. Một tia tạo ra từ trường và tia thứ hay vặn ngược vòng quay của nguyên tử lại.

Bởi sự xoay của các nguyên tử đều được làm rối với nhau, các nguyên tử đều được sắp xếp thành một khuôn mẫu ổn định, mang tính lặp và chính điều đó đã định nghĩa được tính chất của một tinh thể. Tuy nhiên, để có thể biến thành tinh thể thời gian, nó đã phải thực hiện một điều rất kì lạ: tốc độ xoay và lật khuôn mẫu của hệ thống này chỉ nhanh bằng một nửa mạch laser.

“Liệu việc bạn lắc một viên thạch rồi phát hiện ra rằng nó phản hồi việc rung lắc trong một khoảng thời gian khác không?”, Yao giải thích.

Còn tinh thể thời gian của Đại học Harvard lại được tạo ra bằng một cách khác: họ sử dụng những tinh thể kim cương đã được đổ đầy tạp chất nitro. Và kết quả thí nghiệm cho họ những tinh thể thời gian màu đen.

Tinh thể kim cương đen của Harvard.

Sự xoay của những tạp chất này có thể được lật đi lật lại như sự xoay của các ion Ytebi trong thử nghiệm của Đại học Maryland.

Đây đúng là một thời điểm thú vị với toàn giới vật lý: cuối cùng thì trạng thái tinh thể thời gian đã được chính thức công nhận, bởi cả hai thử nghiệm trên đã qua giai đoạn kiểm duyệt. Lúc này, khi mà ta đã biết được rằng những trạng thái này thực sự tồn tại, ta sẽ có thể bắt tay vào việc chế tạo và ứng dụng nó trong thực tiễn.

Một trong những ứng dụng đầu tiên của tinh thể thời gian mà ta nghĩ được ngay tới đó là công nghệ máy tính lượng tử. Nó sẽ cho phép các nhà vật lý học tạo ra một hệ thống lượng tử ổn định với một nhiệt độ cao hơn hẳn trước đây. Có lẽ, đây chính là bước đà ta cần để máy tính lượng tử bước ra công chúng với tư cách “một kẻ được xã hội chào đón mọi nơi, mọi chỗ”.

Tham khảo: Science Alert/Motherboard/wiki