Tạo ra dạng vật chất mới trong phòng thí nghiệm

Từ trái sang, hơi kali được làm lạnh và cặp đôi thành dạng phân tử. Ở nhiệt độ lạnh hơn, đám kali này tụ vào nhau (đạt cực đỉnh mật độ), và chuyển hoá thành một hoá đặc Bose-Einstein.

Sản phẩm của các nhà khoa học Mỹ có thể được xem là dạng vật chất thứ sáu mà con người từng biết, sau chất rắn, chất lỏng, chất khí, plasma và một dạng hóa đặc Bose-Einstein, được tạo ra năm 1995. Hóa đặc fermionic này là một đám mây nguyên tử kali lạnh, bị ép đến trạng thái mà ở đó chúng ứng xử rất kỳ lạ.

Vật chất mới thực chất là một dạng khác của hóa đặc Bose-Einstein - dạng vật chất mà ở đó tất cả các nguyên tử là như nhau và phản ứng đồng nhất như thể một "siêu nguyên tử". Hóa đặc Bose-Einstein được Einstein dự báo năm 1924, và lần đầu tiên các nhà khoa học tạo ra nó từ các nguyên tử rubidium vào năm 1995.

Kể từ đó, giới nghiên cứu đã lao vào cuộc chạy đua để tạo ra các loại hóa đặc từ nhiều dạng vật chất khác nhau, như phân tử hay đơn nguyên tử. Rubidium thuộc nhóm các hạt boson, có thể sắp xếp khá dễ dàng để chuyển thành dạng hóa đặc. Các phân tử gồm những nguyên tử cặp đôi như kali cũng là các boson, và gần đây đã được chuyển hóa thành hóa đặc Bose-Einstein.

Deborah Jin và cộng sự ở Đại học Colorado, nay đã tiến một bước xa hơn, với việc buộc các nguyên tử kali đơn lẻ thành một hóa đặc. Nhóm nghiên cứu làm lạnh hơi kali đến nhiệt độ 50 phần tỷ trên độ không tuyệt đối - nhiệt độ mà ở đó vật chất gần như ngừng chuyển động. Họ nhốt luồng khí này trong một bình chân không, sử dụng từ trường và các tia laser để kích hoạt các nguyên tử kali đơn lẻ kết đôi. Đến đây, nhóm nghiên cứu nhận thấy các cặp đôi nguyên tử này phản ứng như các electron có thể tạo ra tính siêu dẫn.  

"Điều này mở ra những tiềm năng thú vị trong việc nghiên cứu chất siêu dẫn và hiện tượng siêu lỏng trong điều kiện tới hạn, là việc chưa từng thực hiện được trước đây", Jin nói.

Chất siêu dẫn là loại vật liệu có thể dẫn điện mà không hề làm tổn hao năng lượng. Nếu có được nó, điện năng có thể được truyền tải mà không hề mất mát trên đường đi. Tuy nhiên cho tới nay, loại chất này chỉ được tạo ra ở nhiệt độ siêu thấp (tối đa là -135 độ C), do vậy chưa thực sự hữu ích. Chất siêu dẫn chỉ thực sự đi vào cuộc sống nếu người ta có thể tạo ra chúng ở nhiệt độ phòng. Nghiên cứu mới hứa hẹn cơ hội để nâng cao nhiệt độ đó.

Bích Hạnh (theo BBC, Nature)