Đo lường thang năng lượng lượng tử sau bốn thập kỷ chờ đợi

Liệu những trạng thái vật chất hoàn toàn khác nhau có thể tuân theo cùng một quy luật toán học khi đạt đến điểm chuyển tiếp? Trong ngành vật lý lượng tử, các nhà khoa học gọi hiện tượng này là tính vạn năng. Khi một hệ lượng tử tiến sát độ không tuyệt đối và đạt tới điểm tới hạn, các chi tiết vi mô phức tạp sẽ mờ đi, nhường chỗ cho một chuỗi các mức năng lượng sắp xếp theo tỷ lệ toán học cố định. Suốt khoảng bốn thập kỷ, các giá trị này chỉ tồn tại trên các trang lý thuyết của thuyết trường đồng hình. Vừa qua, một nhóm nghiên cứu tại Caltech đã lần đầu tiên đo lường trực tiếp được nấc thang năng lượng ẩn giấu này bằng hệ thống mô phỏng lượng tử hiện đại. [1]

Tính vạn năng và bức tranh toán học của điểm tới hạn lượng tử

Trong tự nhiên, nhiều hiện tượng chuyển pha quen thuộc như nước sôi hóa hơi hay một thanh nam châm mất đi từ tính khi bị đốt nóng đều thể hiện tính vạn năng. Dù bản chất cấu tạo của các hệ vật chất này hoàn toàn khác nhau, hành vi của chúng ở khu vực chuyển tiếp lại được mô tả bởi cùng những phương trình toán học tương đồng. Sự hỗn độn ở quy mô vi mô không còn giữ vai trò chi phối, thay vào đó chỉ còn lại một số đặc trưng cốt lõi quyết định toàn bộ trạng thái của hệ thống. [1]

Để giải mã các trạng thái tới hạn đó, các nhà vật lý lý thuyết đã xây dựng nên khung toán học gọi là thuyết trường đồng hình. Tuy nhiên, khác với các quá trình chuyển pha nhiệt độ thông thường trong đời sống, điểm tới hạn lượng tử diễn ra ở mức nhiệt độ cực thấp gần độ không tuyệt đối. Tại mốc này, những hiệu ứng lượng tử thuần túy như sự chồng chất trạng thái hay vướng víu lượng tử sẽ điều khiển hoàn toàn sự thay đổi cấu trúc của vật chất. Các nhà toán học đã tính toán rằng năng lượng của hệ thống tại điểm tới hạn sẽ phân tách thành các mức năng lượng riêng biệt với tỷ lệ khoảng cách giữa chúng hoàn toàn cố định, tương tự như các nấc của một chiếc thang. [1]

Bắt giữ nguyên tử strontium bằng nhíp quang học

Để tái tạo môi trường lý thuyết này trong phòng thí nghiệm, các nhà nghiên cứu tại Caltech không sử dụng máy tính lượng tử đa năng mà xây dựng một bộ mô phỏng lượng tử chuyên dụng. Hệ thống này sử dụng công nghệ nhíp quang học — những chùm tia laser được hội tụ cực mạnh — nhằm cố định các nguyên tử strontium trung hòa thành một chuỗi hàng đơn ngăn nắp. [1]

Sau khi sắp xếp các nguyên tử vào đúng vị trí, nhóm nghiên cứu tiếp tục chiếu các chùm laser bổ sung để kích thích đám mây nguyên tử lên các mức năng lượng cao hơn, gọi là trạng thái Rydberg. Ở trạng thái kích thích này, kích thước của các nguyên tử mở rộng và tạo ra lực tương tác vô cùng mạnh mẽ với các nguyên tử lân cận. Nhờ đó, cả chuỗi nguyên tử strontium không còn hoạt động như những hạt độc lập riêng lẻ mà bắt đầu vận hành thống nhất như một thể chung. Bằng cách tinh chỉnh tham số của tia laser, các nhà khoa học có thể đưa toàn bộ chuỗi nguyên tử tiến thẳng đến điểm tới hạn cần nghiên cứu. [1]

Phương pháp quang phổ điều chế đa thể

Sau khi đưa hệ thống tới điểm tới hạn, thách thức lớn nhất là làm sao để nhận diện chính xác từng mức năng lượng mà không làm phá hủy trạng thái lượng tử nhạy cảm. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một kỹ thuật đo lường mới mang tên quang phổ điều chế đa thể. Họ tác động một nhiễu động nhẹ lên chuỗi nguyên tử bằng cách điều chỉnh tần số của laser và theo dõi mức độ phản hồi của toàn bộ hệ thống. [1]

Nguyên lý này có thể hình dung tương tự như việc ta dùng một ngón tay ướt miết nhẹ quanh vành của một chiếc ly thủy tinh. Khi tốc độ và tần số di chuyển của ngón tay trùng khớp với tần số dao động tự nhiên của chiếc ly, âm thanh cộng hưởng sẽ vang lên rõ rệt; ngược lại, ở các tần số khác, chiếc ly hầu như không phản ứng. Bằng cách quét qua hàng loạt tần số laser khác nhau và ghi nhận các đỉnh phản hồi của chuỗi nguyên tử, các nhà thực nghiệm đã xác định được chính xác các nấc năng lượng ẩn giấu trong hệ thống. [1]

Xác nhận phổ năng lượng từ lý thuyết Ising

Thí nghiệm được tiến hành lặp đi lặp lại trên các chuỗi nguyên tử có độ dài lên tới 35 nguyên tử strontium. Kết quả thu được cho thấy các nấc thang năng lượng xuất hiện hoàn toàn chính xác theo các tỷ lệ mà thuyết trường đồng hình Ising từng dự đoán từ 40 năm trước. Khi phổ năng lượng được quy đổi theo kích thước của chuỗi nguyên tử, toàn bộ dữ liệu thực nghiệm đã thu gọn hoàn hảo về một đường cong vạn năng duy nhất. [1]

Không dừng lại ở đó, nhóm nghiên cứu còn tiếp tục tinh chỉnh hệ thống đến điểm tới hạn bậc cao hơn (điểm tam tới hạn Ising). Tại đây, phổ năng lượng của hệ thống thay đổi sang một cấu trúc khác, và các mức năng lượng thấp nhất đo được cũng trùng khớp với các tỷ lệ lý thuyết. Khả năng điều khiển độc lập từng nguyên tử trong mảng còn cho phép các nhà khoa học phân loại các trạng thái kích thích theo tính đối xứng, từ đó làm lộ diện thêm tầng nấc năng lượng thứ hai vốn bị che khuất trong các phép đo thông thường. [1]

Mở ra chân trời mới cho các hệ thống lượng tử hai chiều

Việc xác nhận thành công các tỷ lệ năng lượng của thuyết trường đồng hình không chỉ giải quyết một bài toán lý thuyết kéo dài nhiều thập kỷ, mà còn chứng minh sức mạnh của các bộ mô phỏng lượng tử thế hệ mới. Việc đo đạc trực tiếp các mô hình vốn được hiểu rõ giúp khẳng định độ chính xác tuyệt đối của công cụ thử nghiệm này. [1]

Trong giai đoạn tiếp theo, các nhà vật lý tại Caltech có kế hoạch mở rộng mô hình thử nghiệm từ chuỗi một chiều sang cấu trúc lưới nguyên tử hai chiều. Trong không gian hai chiều, các thuyết trường đồng hình trở nên vô cùng phức tạp và chưa được hiểu rõ hoàn toàn bằng lý thuyết thuần túy. Những bộ mô phỏng lượng tử trong tương lai hứa hẹn sẽ trở thành chiếc chìa khóa giúp con người khám phá các trạng thái vật chất bí ẩn mà ngay cả những siêu máy tính cổ điển mạnh nhất hiện nay cũng không thể tính toán hay mô phỏng nổi. [1]