Xác nhận sự tồn tại của vật chất mới: Tinh thể thời gian

Các nhà vật lý đã chế tạo thành công một dạng vật chất mới, trong đó các nguyên tử tuân theo một cấu trúc lặp lại không phải trong không gian, mà là thời gian.

Ảnh minh họa.

Theo Daily Mail, được gọi là “tinh thể thời gian”, loại vật chất này từng được cho là điều không tưởng, cuối cũng đã được chế tạo thành công dựa trên hai nghiên cứu độc lập của các nhà vật lý. Hai nghiên cứu mới được công bố trên tạp chí khoa học vào tuần này.

Tinh thể thời gian là một trong những khái niệm kỳ lạ nhất của ngành vật lý hiện đại. Nó mở ra cả một thế giới mới của một giai đoạn vật chất có tên không cân bằng (nonequilibrium).

Trước đây, con người đã nghiên cứu các vật chất như kim loại hay các chất cách điện. Nhưng có phỏng đoán cho rằng trong vũ trụ có rất nhiều dạng vật chất không trong trạng thái cân bằng mà chưa được biết đến. Và với phát hiện này, con người biết rằng tinh thể thời gian có tồn tại.

Ý tưởng về dạng vật chất này được Giáo sư Frank Wilczek đưa ra vào năm 2012, trong đó miêu tả lý thuyết về sự hình thành của dạng vật chất đặc biệt này dựa trên nghiên cứu của Đại học California. Theo đó, tinh thể thời gian là các cấu trúc dường như có tồn tại chuyển động ngay cả ở trạng thái năng lượng thấp nhất của nó, được gọi là trạng thái cơ bản (ground state).

Dạng vật chất thông thường sẽ đứng yên nhưng với tinh thể thời gian, vật chất thay đổi liên tục mà không cần năng lượng.

Thông thường khi một vật chất ở trạng thái cơ bản, chúng không thể tồn tại bất kỳ sự chuyển động nào, vì sẽ tiêu tốn năng lượng. Nhưng Wilczek dự đoán điều này không áp dụng với tinh thể thời gian, vì chúng có một cấu trúc lặp lại trong thời gian, chứ không chỉ trong không gian.

Hãy tưởng tượng nó giống như viên thạch, khi bạn chạm vào, nó sẽ không ngừng chuyển động. Điều tương tự xảy ra với tinh thể thời gian, nhưng sự khác biệt nằm ở chỗ chuyển động xảy ra một cách tự nhiên

Trong nghiên cứu mới nhất, nhóm các nhà khoa học đến từ Đại học Maryland đã tạo ra tinh thể thời gian bằng cách sắp xếp một dãy 10 ion nguyên tố Ytebi (yttebium), tất cả đều được làm rối với các vòng xoay electron.

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. Để làm điều đó, các nhà nghiên cứu đã bắn hai tia lase, một tia tạo ra từ trường và tia thứ hay vặn ngược vòng quay của nguyên tử.

Thí nghiệm xác nhận sự tồn tại của tinh thể thời gian của các nhà nghiên cứu đến từ trường Đại học MaryLand.

Các nguyên tử dần được sắp xếp thành một khuôn mẫu ổn định, mang tính lặp lại, đúng với tính chất của một tinh thể. Tuy nhiên, các nguyên tử đã biến thành tinh thể thời gian khi tốc độ xoay và lật khuôn mẫu của hệ thống chỉ nhanh bằng một nửa mạch laser.

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. Kết quả thí nghiệm cho ra những tinh thể thời gian màu đen.

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.

Với việc hai thí nghiệm được chứng minh là thành công, các nhà khoa học có thể khẳng định tinh thể thời gian là có thật.

Một trong những ứng dụng đầu tiên của tinh thể thời gian 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.