Trong khi các nhà vật lí tại Máy Va chạm Hadron Lớn cho hàng nghìn proton và những hạt khác va chạm với nhau để xem vật chất cấu tạo từ cái gì, họ chưa bao giờ cho các electron lao vào nhau cả. Cho dù năng lượng cao bao nhiêu đi nữa, những hạt nhỏ bé tích điện âm ấy sẽ không bị vỡ. Nhưng điều đó không có nghĩa là chúng không bị phá hủy.

Sử dụng một vài siêu máy tính đồ sộ, một đội nhà vật lí đã tách một electron mô phỏng ra làm hai nửa hoàn chỉnh. Kết quả công bố trên số ra ngày 13/1 của tạp chí Science là một thí dụ nữa chứng minh làm thế nào những thí nghiệm ‘để bàn’ về các nguyên tử cực lạnh và những chất liệu vật chất ngưng tụ khác có thể cung cấp các manh mối về hành trạng của các hạt sơ cấp.


(hình minh họa)

Trong các mô phỏng, nhà vật lí tại trường Đại học Duke, Matthew Hastings, cùng các đồng sự của ông, Sergei Isakov thuộc trường Đại học Zurich và Roger Melko thuộc trường Đại học Waterloo ở Canada, đã phát triển một tinh thể ảo. Dưới những nhiệt độ cực thấp trong mô phỏng trên máy tính, tinh thể đó biến thành một chất lỏng lượng tử, một trạng thái kì lạ của vật chất trong đó các electron bắt đầu ngưng tụ.

Nhiều loại chất liệu khác nhau, từ các chất siêu dẫn đến chất siêu chảy, có thể hình thành khi các electron ngưng tụ và lạnh xuống gần độ không tuyệt đối, khoảng âm 273 độ C. Đó xấp xỉ là nhiệt độ mà các hạt không còn chuyển động nữa. Đó cũng là vùng nhiệt độ trong đó từng hạt, ví dụ như electron, có thể vượt qua lực đẩy lẫn nhau của chúng và kết hợp với nhau.

Hành trạng kết hợp của các hạt cuối cùng trở nên không thể phân biệt với tác dụng của một hạt. Hastings cho biết hiện tượng trên rất giống với cái xảy ra với âm thanh. Âm thanh được tạo bởi sóng âm. Mỗi sóng âm có vẻ không thể phân chia và rất giống với một hạt sơ cấp. Nhưng một sóng âm thật ra là chuyển động tập thể của nhiều nguyên tử.

Dưới điều kiện nhiệt độ cực lạnh, các electron có loại biểu hiện giống như nhau. Chuyển động tập thể của chúng giống hệt như chuyển động của một hạt đơn lẻ. Nhưng, không giống như sóng âm, các electron kết hợp và những hạt khác, gọi là trạng thái kích thích tập thể hay giả hạt, có thể “làm những thứ mà bạn không nghĩ là có thể”, Hastings nói.

Giả hạt hình thành trong mô phỏng này cho biết cái xảy ra nếu một hạt sơ cấp bị vỡ ra, nên trên phương diện vật lí một electron không thể lao vào cái gì đó nhỏ hơn, nhưng nó có thể bị vỡ ra theo nghĩa ẩn dụ.

Hastings và các đồng sự của ông đã phân chia một hạt electron ra bằng cách đặt một hạt ảo có điện tích cơ bản của một electron vào chất lỏng lượng tử mô phỏng của họ. Dưới những điều kiện đó, hạt bị nứt làm hai mảnh, mỗi mảnh có một nửa điện tích âm của hạt ban đầu.

Khi các nhà vật lí tiếp tục quan sát các hạt con mới và thay đổi các điều kiện ràng buộc của môi trường mô phỏng, họ còn có thể đo một vài thông số đặc trưng cho chuyển động của các mảnh vỡ electron. Kết quả cung cấp cho các nhà khoa học thông tin để tìm kiếm dấu hiệu của các mảnh vỡ electron trong những mô phỏng, thí nghiệm và những nghiên cứu lí thuyết khác.

Sự mô phỏng thành công một hạt electron phân tách còn cho thấy các nhà vật lí không nhất thiết phải cho vật chất lao vào nhau để xem cái gì ở bên trong; thay vậy, có thể có những phương pháp khác để một hạt tự phơi bày chính nó.

Tham khảo: "Universal Signatures of Fractionalized Quantum Critical Points," Science. 2012. 335: 193-195. DOI: 10.1126/science.121220



Nguồn: Đại học Duke