Vì sao dự đoán lượng tử từ năm 1931 về 'chuỗi Bethe' đến nay mới được hiện thực hóa?

Năm 1931, nhà vật lý Hans Bethe từng đưa ra một dự đoán lý thuyết táo bạo: các hạt khi bị giới hạn trong không gian một chiều có thể tự liên kết thành những cấu trúc tập thể đặc biệt mà không cần đến các liên kết hóa học thông thường. Cấu trúc này về sau được giới vật lý gọi là "chuỗi Bethe". Suốt gần một thế kỷ, ý tưởng trên dường như chỉ tồn tại trên những trang giấy tính toán phức tạp do rào cản kỹ thuật quá lớn. Phải tới gần đây, một nhóm nghiên cứu quốc tế mới dàn dựng thành công một môi trường thực nghiệm tinh vi để trực tiếp tạo ra, thao tác và quan sát chuỗi Bethe hình thành, va chạm rồi tan rã trong môi trường khí nguyên tử siêu lạnh. [1]

Giả thuyết lượng tử suýt bị lãng quên từ thập niên 1930

Khi nhà vật lý Hans Bethe đặt nền móng lý thuyết cho hệ lượng tử nhiều thể vào năm 1931, ông đã mô tả một trạng thái kỳ lạ của các hạt khi bị ép phải di chuyển dọc theo một đường thẳng duy nhất. Trong thế giới ba chiều quen thuộc, các nguyên tử liên kết với nhau để tạo thành phân tử nhờ phản ứng hóa học hoặc lực hút điện từ giữa các electron. Tuy nhiên, ở mô hình một chiều mà Bethe đưa ra, các hạt có thể liên kết theo một cơ chế hoàn toàn khác. Chúng tự tập hợp lại thành từng cụm tập thể, duy trì một trạng thái liên kết lượng tử bền vững mà không cần trao đổi hay chia sẻ electron như các liên kết hóa học kinh điển. [1]

Dù mang vẻ đẹp toán học thuần khiết, việc quan sát các chuỗi hạt này trong thực tế lại gặp phải thách thức công nghệ rất lớn. Để tạo ra chuỗi Bethe, hệ thống cần đáp ứng những điều kiện vô cùng khắc nghiệt: không gian chuyển động phải bị thu hẹp tuyệt đối về một chiều và nhiệt độ phải giảm xuống tới sát mức độ tuyệt đối nhằm loại bỏ sự nhiễu loạn nhiệt. Trong nhiều thập kỷ, chuỗi Bethe từng được ghi nhận gián tiếp trong một số hệ từ tính trạng thái rắn, nhưng khả năng can thiệp hay kiểm soát chi tiết cấu trúc này vẫn nằm ngoài tầm tay của các nhà thực nghiệm. [1]

Giam cầm nguyên tử cesium trong hàng nghìn ống một chiều

Để giải bài toán đã kéo dài gần một thế kỷ, nhóm nghiên cứu do nhà vật lý Hanns-Christoph Nägerl tại Đại học Innsbruck dẫn đầu, phối hợp cùng các nhà lý thuyết từ Đại học Amsterdam và Đại học Kỹ thuật Munich, đã xây dựng một hệ thống thí nghiệm độc đáo. Kết quả nghiên cứu này sau đó đã được công bố trên tạp chí Nature Communications. Họ bắt đầu bằng việc làm lạnh một đám mây nguyên tử cesium xuống nhiệt độ chỉ còn vài phần tỷ độ trên độ tuyệt đối. Ở mức nhiệt độ cực thấp này, sự chuyển động hỗn loạn của các nguyên tử do nhiệt năng gần như bị triệt tiêu hoàn toàn, tạo điều kiện cho các hiệu ứng lượng tử bộc lộ rõ nét. [1]

Sau khi đưa mây nguyên tử về trạng thái siêu lạnh, nhóm nghiên cứu chia tách đám mây này thành hàng nghìn ống dẫn cực nhỏ. Bên trong mỗi ống, các nguyên tử cesium bị giới hạn khắt khe, chỉ có thể di chuyển tiến hoặc lùi dọc theo một trục duy nhất. Bằng cách cưỡng chế không gian hoạt động về mặt hình học, các nhà khoa học đã tái tạo thành công môi trường một chiều lý tưởng mà Hans Bethe từng giả định trong các phương trình của mình. [1]

Đảo ngược tương tác từ lực đẩy sang lực hút

Chỉ giam cầm nguyên tử trong môi trường một chiều là chưa đủ để các chuỗi Bethe tự động xuất hiện. Điểm then chốt nằm ở khả năng điều chỉnh lực tương tác giữa các hạt nguyên tử cesium bên trong từng ống dẫn. Thí nghiệm được thiết kế sao cho các nhà nghiên cứu có thể can thiệp trực tiếp và tinh chỉnh mức độ tương tác này từ bên ngoài với độ chính xác cao. [1]

Ban đầu, các nguyên tử cesium trong ống mang tương tác đẩy, nghĩa là chúng có xu hướng né tránh lẫn nhau. Nhóm nghiên cứu sau đó đã chuyển dịch lực tương tác này từ đẩy sang hút. Khi lực hút lượng tử xuất hiện trong môi trường một chiều, các nguyên tử không bị suy sụp thành một khối lộn xộn duy nhất, mà tự tổ chức thành các cụm hạt ràng buộc có kích thước khác nhau. Các quan sát ghi nhận những chuỗi hạt liên kết chứa từ hai, ba cho đến sáu hoặc nhiều nguyên tử hơn cùng di chuyển chung như một thể thống nhất. [1]

Va chạm lượng tử mà không bị tan rã

Nhằm khẳng định các nguyên tử cesium thực sự đã liên kết thành chuỗi Bethe chứ không phải chỉ ngẫu nhiên đứng cạnh nhau, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các bài kiểm tra va chạm. Nhà nghiên cứu Milena Horvath, một trong những tác giả chính của công trình, cho biết bước thí nghiệm đơn giản nhất là cho phép các chuỗi hạt giãn nở tự do nhưng vẫn giữ chúng nằm gọn trong các ống một chiều. [1]

Trong quá trình chuyển động và mở rộng không gian bên trong ống hẹp, các chuỗi Bethe liên tục gặp gỡ và va chạm mạnh với nhau. Theo logic thông thường, những cú va chạm giữa các cụm hạt mềm yếu sẽ dễ dàng làm chúng vỡ vụn thành các nguyên tử riêng lẻ. Tuy nhiên, các chuỗi Bethe đã thể hiện một đặc tính lượng tử kinh ngạc: chúng đâm vào nhau nhưng vẫn giữ nguyên cấu trúc liên kết mà không bị tan rã. Độ bền va chạm này là bằng chứng thực nghiệm rõ ràng xác nhận tính chất ràng buộc đặc biệt của trạng thái lượng tử nhiều thể. [1]

Tháo bỏ rào cản không gian và chuyển hóa năng lượng

Để củng cố thêm bằng chứng, nhóm khoa học đã thực hiện một bước đi quyết định: giải phóng hệ thống khỏi sự giam cầm một chiều. Họ gỡ bỏ cấu trúc rào cản laser để các nguyên tử cesium tự do giãn nở sang không gian ba chiều. Do chuỗi Bethe chỉ có thể tồn tại bền vững trong môi trường một chiều, sự chuyển đổi môi trường khiến các cấu trúc liên kết này lập tức sụp đổ và tan rã hoàn toàn. [1]

Khi chuỗi Bethe bị phá vỡ, toàn bộ năng lượng từng giữ các nguyên tử liên kết với nhau đã biến đổi tức thì thành động năng, khiến các hạt văng ra xa với tốc độ nhanh hơn hẳn. Việc so sánh hai quá trình giãn nở đã cung cấp phép đo định lượng chính xác. Trong trường hợp các hạt mang lực đẩy (không tạo chuỗi), năng lượng giải phóng ở cả môi trường một chiều và ba chiều là tương đương. Ngược lại, khi chuỗi Bethe hiện diện, quá trình giãn nở ba chiều ghi nhận một lượng năng lượng dư thừa rõ rệt phóng thích từ các liên kết bị đứt gãy. Nhà nghiên cứu Sudipta Dhar và nhà lý thuyết Alvise Bastianello nhấn mạnh rằng thành tựu này mở ra một phương pháp kiểm soát mới để thao tác và khám phá sâu hơn bản chất của các hệ lượng tử phức tạp. [1]