Ngưng tụ Bose-Einstein là một nền tảng lý tưởng để khám phá các hiện tượng động lực xuất hiện trong giới hạn nhiều vật thể. Một đám mây gồm các nguyên tử riêng lẻ ở trạng thái này hoạt động chung như một chất lỏng duy nhất. Chất lỏng lượng tử này có thể chảy mà không bị cản trở – nó là chất siêu lỏng.
Hai chất siêu lỏng có thể tồn tại cùng lúc trong các đám mây nguyên tử cực lạnh. Cho đến nay, sự cùng tồn tại của chúng không thể được quan sát bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, hiện nay các nhà vật lý từ Đại học Heidelberg đã chứng minh một chất lỏng lượng tử từ tính như vậy – nó là chất lỏng theo hai cách – theo một khí nguyên tử.
Markus Oberthaler, nhà nghiên cứu Vật lý của Viện Kirchhoff, giải thích, “Trong những thập kỷ gần đây, chất ngưng tụ Bose-Einstein nguyên tử được tạo ra từ những loại nguyên tử rất khác nhau như natri và rubidium, nhưng gần đây hơn cũng từ những nguyên tử “kỳ lạ” hơn như erbium và dysprosium.”
“Hầu hết các nguyên tử này cũng thể hiện bậc tự do nội tại – chúng có spin và hành xử giống như những nam châm nhỏ. Về nguyên tắc, điều này cũng có thể gây ra hiện tượng Ngưng tụ Bose-Einstein, nhưng điều này vẫn chưa được quan sát thực nghiệm. Việc chứng minh này giờ đây có thể thực hiện được với một đám mây nguyên tử rubidium cực lạnh.”
Phương pháp gọi là làm mát bay hơi thường được sử dụng để điều chế nước ngưng Bose-Einstein. Công việc này tương tự như việc làm nguội cà phê trong cốc bằng cách thổi vào cốc.
Các nguyên tử nhanh nhất trên bề mặt cà phê bị thổi bay đi và người ta đợi cho đến khi các nguyên tử còn lại dừng lại ở nhiệt độ mát hơn. Điều này cực kỳ khó đối với một chuyển động quay nên các nhà vật lý Heidelberg đã chọn một phương pháp khác.
Tiến sĩ Maximilian Prüfer cho biết, “Chúng tôi đã khởi tạo hệ thống ở xa trạng thái cân bằng và đợi cho đến khi các nguyên tử rubidium đạt đến trạng thái cân bằng mới. Những gì lúc đầu có vẻ kém trực quan hóa ra lại cực kỳ hiệu quả.”
Các nhà khoa học đã sử dụng các kỹ thuật phát hiện và gây nhiễu cụ thể được tạo ra chỉ để tạo ra và truy tìm trạng thái này. Họ nhận thấy rằng spin cũng chuyển sang trạng thái siêu lỏng cùng với bậc tự do chuyển động. Vì vậy, có hai cách mà chất lỏng lượng tử từ tính có thể trở nên cực kỳ lỏng.
Markus Oberthaler, người đứng đầu nhóm nghiên cứu “Hệ thống lượng tử tổng hợp”, cũng là một phần của Nhóm CẤU TRÚC xuất sắc của Đại học Heidelberg, nói, “Các phương pháp nghiên cứu mới của chúng tôi không chỉ cho phép chúng tôi mô tả đặc điểm của chất ngưng tụ mà còn cho phép chúng tôi hiểu rõ hơn về con đường từ không cân bằng đến trạng thái đó”.
Tạp chí tham khảo:
- Prüfer, M., Spitz, D., Lannig, S. và cộng sự. Sự ngưng tụ và nhiệt hóa của một chất sắt từ dễ phẳng trong khí Bose spinor. Nat. Thể chất. (Năm 2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01779-6
