Ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) là một trong năm trạng thái cơ bản của vật chất. Trong đó, các nguyên tử đạt đến mức năng lượng thấp đến mức các quy tắc cơ học lượng tử quy định rằng chúng ngừng hoạt động như những nguyên tử riêng lẻ và hành xử giống như một “siêu nguyên tử” duy nhất.
Sự ngưng tụ Bose-Einstein chỉ hình thành khi vật liệu được làm lạnh đến độ không tuyệt đối. Ở nhiệt độ đó các nguyên tử hầu như không chuyển động tương đối với nhau; chúng gần như không có năng lượng tự do để làm việc đó. Sau đó, các nguyên tử bắt đầu kết tụ lại với nhau và chuyển sang trạng thái năng lượng giống nhau. Chúng trở nên giống hệt nhau, từ quan điểm vật lý, và cả nhóm bắt đầu hành xử như thể nó là một nguyên tử duy nhất.
Khí, lỏng, rắn và plasma đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ, nếu không muốn nói là hàng thế kỷ, nhưng cho đến tận những năm 1990, trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein mới được tạo ra trong phòng thí nghiệm.
 |
Hai nhà bác học đưa ra khái niệm về trạng thái vật chất thứ 5 nhưng phải mất cả thể kỷ để công nghệ mới có thể tạo ra nó. |
Để tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein, người ta bắt đầu với một đám mây khí khuếch tán. Nhiều thí nghiệm bắt đầu với các nguyên tử rubidium. Sau đó, làm nguội nó bằng tia laser, sử dụng chùm tia này để lấy năng lượng khỏi các nguyên tử. Sau đó, để làm mát chúng hơn nữa, các nhà khoa học sử dụng phương pháp bay hơi.
Xuedong Hu, giáo sư vật lý tại Đại học Buffalo, nói với Live Science: “Với ngưng tụ Bose-Einstein, bạn bắt đầu từ một trạng thái mất trật tự, trong đó động năng lớn hơn thế năng”. “Bạn làm nguội nó đi, nhưng nó không tạo thành mạng lưới như chất rắn.”
Thay vào đó, các nguyên tử rơi vào trạng thái lượng tử giống nhau và không thể phân biệt được với nhau. Vào thời điểm đó, các nguyên tử bắt đầu tuân theo cái gọi là thống kê Bose-Einstein, thống kê thường được áp dụng cho các hạt mà bạn không thể phân biệt được, chẳng hạn như photon hoặc gói ánh sáng.
Lý thuyết và khám phá
Ngưng tụ Bose-Einstein lần đầu tiên được dự đoán về mặt lý thuyết vào những năm 1920 bởi Satyendra Nath Bose (1894-1974), một nhà vật lý người Ấn Độ, người cũng đã phát hiện ra hạt hạ nguyên tử mang tên ông. Bose đang nghiên cứu các vấn đề thống kê trong cơ học lượng tử và gửi ý tưởng của mình liên quan đến photon cho Albert Einstein theo Hiệp hội Vật lý Hoa Kỳ.
Einstein cho rằng chúng đủ quan trọng để xuất bản chúng. Điều quan trọng hơn là Einstein đã thấy rằng tính toán của Bose - sau này được gọi là thống kê Bose-Einstein - có thể được áp dụng cho các nguyên tử cũng như ánh sáng. Cả hai đã xuất bản một loạt bài báo trình bày chi tiết về dạng vật chất kỳ lạ này vào năm 1924.
Điều mà cả hai phát hiện ra là thông thường, các nguyên tử phải có những năng lượng nhất định - trên thực tế, một trong những nguyên tắc cơ bản của cơ học lượng tử là năng lượng của nguyên tử hoặc hạt hạ nguyên tử khác không thể tùy ý.
Đây là lý do tại sao các electron, chẳng hạn, có các "quỹ đạo" riêng biệt mà chúng phải chiếm giữ và tại sao chúng phát ra các photon có bước sóng cụ thể khi chúng rơi từ quỹ đạo này hoặc mức năng lượng sang quỹ đạo khác.
Nhưng làm lạnh các nguyên tử xuống còn một phần tỷ độ không tuyệt đối và một số nguyên tử bắt đầu rơi vào cùng mức năng lượng, trở nên không thể phân biệt được. Đó là lý do tại sao các nguyên tử trong trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein hoạt động giống như “siêu nguyên tử”. Khi người ta cố gắng đo vị trí của chúng, thay vì nhìn thấy các nguyên tử rời rạc, người ta nhìn thấy một quả bóng mờ.
 |
Khi được làm lạnh đến cực hạn, các nguyên tử ngưng tụ lại thành một khối và có trạng thái lượng tử giống hệt nhau dù là proton, neutron hay electron. |
Các trạng thái khác của vật chất đều tuân theo Nguyên lý loại trừ Pauli, được đặt theo tên của nhà vật lý Wolfgang Pauli. Pauli (1900-1958) là nhà vật lý lý thuyết người Mỹ gốc Thụy Sĩ gốc Áo và là một trong những người tiên phong của vật lý lượng tử.
Nguyên tắc của ông chỉ ra rằng fermion – các hạt như quark và lepton tạo nên vật chất – không thể ở trạng thái lượng tử giống hệt nhau. Đây là lý do tại sao khi hai electron ở cùng quỹ đạo, spin của chúng phải đối nhau nên tổng của chúng bằng 0. Ngược lại, đó là một lý do tại sao hóa học hoạt động như vậy và tại sao các nguyên tử không thể chiếm giữ cùng một không gian cùng một lúc. Ngưng tụ Bose-Einstein phá vỡ quy tắc đó.
Mặc dù công trình của Bose và Einstein dự đoán những trạng thái vật chất như vậy sẽ tồn tại, nhưng phải đến năm 1995, một nhóm do Eric A. Cornell và Carl E. Wieman, cả hai đều thuộc Viện Vật lý thiên văn Phòng thí nghiệm chung (JILA) ở Boulder, Colorado, đứng đầu, mới dẫn đầu đã tạo ra một trong những nguyên tử rubidium và Wolfgang Ketterle của MIT cùng các đồng nghiệp đã tạo ra một trong những nguyên tử natri đã xác nhận bằng thực nghiệm về sự tồn tại của chúng. Bộ ba nhà khoa học qua đó cùng chia nhau giải Nobel Vật lý năm 2001 cho công trình này.
Vào tháng 7 năm 2018, một thí nghiệm trên Trạm vũ trụ quốc tế đã làm lạnh một đám mây nguyên tử rubidium đến một phần mười triệu độ trên độ không tuyệt đối, tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein trong không gian.
Họ lặp lại cuộc trình diễn BEC trên ISS vào năm 2020, thí nghiệm này hiện cũng giữ kỷ lục về vật thể lạnh nhất mà chúng ta biết trong không gian, mặc dù nó chưa phải là vật thể lạnh nhất mà nhân loại từng tạo ra.
Và vào năm 2023, các nhà khoa học tại Đại học Chicago đã tạo ra BEC đầu tiên chứng minh một hiện tượng kỳ lạ, gọi là siêu hóa học lượng tử. Trong hiện tượng lượng tử kỳ lạ đó, từng nguyên tử riêng lẻ trong BEC phản ứng hóa học cùng một lúc.
Trong thí nghiệm, các nhà khoa học đã chứng minh một cách thuyết phục rằng hàng nghìn nguyên tử xêzi liên kết cùng một lúc để tạo thành các phân tử xêsi, sau đó gần như ngay lập tức chuyển đổi trở lại thành nguyên tử xêzi.
