Trạm vũ trụ của Trung Quốc đã tạo ra vật liệu chạm tới ngưỡng vật chất nhân tạo lạnh nhất lịch sử nhân loại bằng cách nào?

Theo thông tin chính thức từ Trung tâm ứng dụng và công nghệ không gian thuộc Viện hàn lâm khoa học Trung Quốc, một kỳ tích vừa được thiết lập bên trong tủ thí nghiệm vật lý nguyên tử siêu lạnh trên trạm vũ trụ của quốc gia này.

Bằng kỹ thuật bẫy toàn quang tiên phong, các nhà khoa học đã kéo tụt nhiệt độ tương đương của đám mây nguyên tử rubidi xuống mức kinh ngạc: 9,7 picokelvin (pK), tức 9,7 phần nghìn tỷ Kelvin (1 pK = 10^-12 K). Con số này thấp hơn nhiệt độ phòng tới 14 bậc độ lớn, xô đổ mọi cột mốc trước đó để tạo ra dạng vật chất nhân tạo lạnh nhất từng được biết đến trong lịch sử văn minh nhân loại, đưa con người tiến sát đến giới hạn độ không tuyệt đối (0 K, tương đương âm 273,15 độ C).

Chia sẻ trên Thời báo Hoàn Cầu, đại diện nhóm nghiên cứu cho biết khi nhiệt độ chạm ngưỡng cận kề độ không tuyệt đối với mật độ đủ lớn, hiện tượng hỗn loạn nhiệt chấm dứt hoàn toàn. Toàn bộ các nguyên tử sẽ tập hợp thành một khối đồng nhất tề chỉnh tựa như một "đội danh dự".

Đây là tiền đề vàng để giới nghiên cứu giải mã những bài toán vật lý hóc búa, thúc đẩy đo lường chuẩn xác, tính toán lượng tử và mô phỏng lượng tử. Để ghìm chuyển động của các nguyên tử về trạng thái tĩnh lặng hoàn toàn, việc đưa một "tủ lạnh siêu cấp" lên không gian là phương án lý tưởng nhất.

Hành trình chinh phục độ không tuyệt đối vốn là cuộc đua nghẹt thở kéo dài hơn một thế kỷ qua, nơi các bước tiến về kỹ thuật làm lạnh đã mang về ít nhất 5 giải Nobel Vật lý. Trước khi kỷ lục mới xuất hiện, đỉnh cao thế giới thuộc về nhóm nghiên cứu Đại học Bremen (Đức) khi họ đạt mốc 38 pK vào năm 2021 nhờ tháp rơi vi trọng lực cùng kỹ thuật bẫy từ vi mạch kết hợp xung chấn kích.

Một năm sau, trạm vũ trụ quốc tế cũng chạm tới con số 52 pK với công nghệ tương đồng. Thế nhưng, trạm không gian Trung Quốc với khoang thí nghiệm Mộng Thiên - nơi đặt hệ thống nguyên tử siêu lạnh do Viện quang học và máy móc chính xác Thượng Hải chế tạo từ năm 2022 - đã tạo nên bước ngoặt sau 4 năm vận hành.

Giáo sư Chu Tiểu Kế từ Đại học Bắc Kinh cho biết, chính môi trường vi trọng lực ngoài quỹ đạo cho phép giam giữ nguyên tử trong bẫy dưới 1 Hz, mở đường cho những phép đo lượng tử siêu chính xác.

Không dừng lại ở việc hạ sâu nhiệt độ, bước nhảy vọt thực sự nằm ở thời gian duy trì quan sát. Nếu như môi trường mặt đất chỉ cho phép theo dõi nguyên tử trong vỏn vẹn 0,05 giây và trạm vũ trụ quốc tế kéo dài được 2 giây, thì hệ thống của Trung Quốc đã nâng con số này lên tới 7 giây liên tục.

Trợ lý nghiên cứu Hùng Vĩ nhận định, mỗi bậc độ lớn nhiệt độ hạ xuống sẽ mở ra những trạng thái vật chất hoàn toàn khác biệt, và khoảng thời gian 7 giây quý giá này sẽ giúp phát hiện những tín hiệu lượng tử yếu ớt nhất, đồng thời hứa hẹn nâng độ chính xác của giao thoa kế lên một tầm mức mới.

Đáng chú ý, kỳ tích này được tạo dựng từ một hướng đi kỹ thuật hoàn toàn tách biệt với quốc tế. Trong khi phương án truyền thống của các nước sử dụng bẫy vi từ trên vi mạch nguyên tử, làm lạnh bay hơi bằng sóng vô tuyến rồi kết thúc bằng xung chấn kích, thì phía Trung Quốc lựa chọn con đường khó khăn hơn: giam giữ đám mây nguyên tử bằng bẫy toàn quang, làm lạnh bay hơi bằng cách hạ cường độ quang học và làm lạnh sâu bằng kỹ thuật khuếch tán bất đoạn nhiệt. Lộ trình phức tạp này mang lại hiệu quả vượt trội, biến thiết bị thành một "bộ mô phỏng vũ trụ lượng tử trong không gian", theo lời trợ lý nghiên cứu Kim Thánh Kiệt.

Nhìn về tương lai, nghiên cứu viên Trần Vệ Tiêu từ Viện quang học và máy móc chính xác Thượng Hải khẳng định, đây là điểm tựa chiến lược cho các nghiên cứu cơ bản mũi nhọn.

Kỹ thuật giao thoa nguyên tử siêu lạnh sẽ là chìa khóa để hoàn thiện máy đo gradient trọng lực không gian, xây dựng mô hình trường trọng lực Trái Đất với độ phân giải cực cao.

Công nghệ này trực tiếp phục vụ việc theo dõi biến động vật chất trong lòng đất, kiểm soát chu trình nước toàn cầu, giám sát dòng hải lưu, băng trôi và dẫn đường chuẩn xác cho các thế hệ tàu vũ trụ mai sau.