Trung Quốc vừa tạo ra dạng vật chất lạnh nhất lịch sử

Tại cuộc họp báo diễn ra vào ngày 5/11, Vụ Khoa học và Ứng dụng Không gian thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) thông báo các nhà nghiên cứu nước này đã thành công trong việc làm lạnh một đám mây nguyên tử rubidium xuống mức vô cùng kinh ngạc. 

Theo đó, nhiệt độ làm lạnh đạt được chỉ vỏn vẹn 9,7 picokelvin (pK), tương đương một con số gần như tuyệt đối và thấp hơn nhiệt độ phòng khoảng 14 bậc độ lớn. Thí nghiệm ấn tượng này được thực hiện ngay trên Trạm Vũ trụ Thiên Cung và kết quả đã thu hút sự quan tâm lớn của giới khoa học toàn cầu khi được công bố trên tạp chí Science.

Mức nhiệt độ này chỉ cách độ 0 tuyệt đối một khoảng vô cùng nhỏ, thấp hơn gấp 4 lần kỷ lục 38 pK từng được một nhóm nghiên cứu tại Đức thiết lập vào năm 2021. Thành tích mới này cũng vượt xa con số 52 pK được tạo ra bởi phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh của Mỹ trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS). 

Với cột mốc trên, giới chuyên gia nhận định con người đã tạo ra dạng vật chất nhân tạo lạnh nhất từng được ghi nhận trong lịch sử khoa học.

Hành trình tiến sát "độ 0 tuyệt đối"

Độ 0 tuyệt đối từ lâu đã được xem là giới hạn lý thuyết mà các định luật nhiệt - động lực học khẳng định không thể chạm tới, song các nhà vật lý vẫn không ngừng tìm cách tiến sát. Nguyên tử vốn luôn chuyển động hỗn loạn và nhiệt độ càng cao thì tốc độ càng nhanh, nên quá trình làm lạnh thực chất là tìm cách hãm phanh chúng lại. 

Khi đạt đến độ lạnh sâu, hàng nghìn nguyên tử sẽ dồn tụ vào một sóng lượng tử duy nhất và tạo ra trạng thái ngưng tụ đặc biệt, thứ từng được các thiên tài vật lý Satyendra Nath Bose và Albert Einstein dự đoán từ năm 1924. Ở trạng thái này, các nguyên tử có thể chảy đi mà không gặp bất kỳ lực cản nào và tạo ra những vân giao thoa tương tự như ánh sáng laser.

Tuy nhiên, rào cản lớn nhất khi thực hiện các thí nghiệm làm lạnh trên mặt đất chính là trọng lực của Trái Đất. Theo ông Trần Hựu Tông, Giáo sư tại Đại học Bắc Kinh (Trung Quốc) và là tác giả chính của công trình, nguyên tử thường được giữ trong các bẫy từ hoặc bẫy quang và khi nhà khoa học muốn nới lỏng các bẫy này để hạ nhiệt độ, thì trọng lực sẽ khiến chúng rơi đi mất. 

Tuy nhiên, trong môi trường vi trọng lực ngoài không gian, các bẫy có thể được nới lỏng tối đa mà không sợ thất thoát nguyên tử, tạo điều kiện lý tưởng để đẩy nhiệt độ xuống mức thấp chưa từng có.

Thiết bị thực hiện thí nghiệm đột phá này được đặt trong tủ vật lý nguyên tử siêu lạnh thuộc module Mộng Thiên, được phóng lên quỹ đạo từ năm 2022. Thay vì sử dụng bẫy từ thông thường, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn bẫy quang học thuần túy kết hợp chùm laser để giữ và điều khiển nguyên tử. 

Quá trình hạ nhiệt diễn ra qua nhiều bước tinh vi, từ việc bẫy hàng triệu nguyên tử cho đến khi thu hẹp lại chỉ còn vài nghìn hạt ở trạng thái gần như đứng yên hoàn toàn với tốc độ vô cùng chậm chạp. Phương pháp này đòi hỏi kỹ thuật vô cùng phức tạp, nhưng lại giúp hạn chế tối đa nhiễu từ trường và mang lại khả năng điều khiển chính xác trong không gian. 

Nhà vật lý học Hélène Perrin, Giám đốc Nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp, đánh giá rất cao cách tiếp cận này bởi nó không chỉ duy trì được các nguyên tử ở nhiều trạng thái khác nhau, mà còn mở ra tiềm năng lớn cho các thí nghiệm mô phỏng lượng tử trong tương lai.

Kỷ lục 7 giây và phép thử cho Thuyết tương đối

Điểm đặc biệt nữa khiến giới chuyên môn thán phục không chỉ nằm ở con số nhiệt độ, mà còn ở thời gian quan sát. Khi thả đám mây nguyên tử khỏi bẫy, các nhà khoa học đã có thể theo dõi sự giãn nở của chúng suốt 7 giây, một khoảng thời gian dài gấp nhiều lần so với các thí nghiệm từng thực hiện trên mặt đất hay trên ISS. 

Thời gian quan sát kéo dài này đóng vai trò quyết định trong việc thực hiện các phép đo giao thoa, nhằm kiểm chứng những giả định nền tảng của Thuyết tương đối rộng của Albert Einstein.

Đằng sau thành công rực rỡ ấy là một kỳ công về kỹ thuật, khi hệ thống thí nghiệm khổng lồ vốn nặng hàng chục tấn trên mặt đất đã được thu gọn hoàn toàn vào một tủ thiết bị nhỏ gọn trên quỹ đạo. Dự án này là thành quả của quá trình kiên trì phối hợp suốt 15 năm giữa nhiều viện nghiên cứu và trường đại học lớn của Trung Quốc.

Về mặt ứng dụng thực tế, thời gian quan sát kéo dài hứa hẹn sẽ nâng độ chính xác của các thiết bị đo đạc trường hấp dẫn, định vị vệ tinh và theo dõi biến động môi trường lên một tầm cao mới. Hơn nữa, nền tảng công nghệ này còn mở ra hướng đi triển vọng trong việc nghiên cứu chuyển pha lượng tử, mô phỏng vũ trụ nguyên thủy cũng như dò tìm vật chất tối.

Sự thành công của dự án đã nhận được nhiều lời chúc mừng từ các chuyên gia hàng đầu thế giới, trong đó có Giáo sư vật lý Ernst Rasel, người từng dẫn dắt nhóm nghiên cứu từ Đại học Leibniz Hannover (Đức) tạo ra dạng vật chất đạt nhiệt độ thấp kỷ lục 38 pK trước khi bị các nhà khoa học Trung Quốc xô đổ.

“Tôi xin chúc mừng các nhà khoa học. Tôi rất ấn tượng”, Giáo sư Ernst Rasel dành lời khen ngợi các đồng nghiệp từ đất nước tỷ dân. “Họ đang ở tuyến đầu, điều đó không còn nghi ngờ gì nữa”. 

Trong khi đó, Tiến sĩ Lữ Tòng Dân, Tổng công trình sư hệ thống ứng dụng không gian thuộc CAS, bày tỏ hy vọng thành tựu trên sẽ tạo cơ hội hợp tác quốc tế rộng mở đối với cộng đồng khoa học toàn cầu trên Trạm vũ trụ Thiên Cung.