Nghiên cứu gần đây cho thấy không tồn tại tốc độ giới hạn trong siêu lỏng

Giúp NTDVN sửa lỗi

Mới đây, các nhà khoa học đã khám phá ra một hiện tượng bất ngờ khi nghiên cứu đồng vị Heli-3 ‘siêu lỏng’ mật độ cao trong môi trường nhiệt độ thấp. Một vật thể có thể di chuyển xuyên qua toàn bộ khối chất siêu lỏng với tốc độ nhanh vượt quá tốc độ Landau giới hạn mà không làm vỡ cấu trúc của các khối chất siêu lỏng xung quanh.

Vì điều này mâu thuẫn với hiểu biết của chúng ta về tính chất siêu lỏng, nên nó đã đặt ra một vấn đề khá nan giải. Nhưng giờ đây, bằng cách tái tạo và nghiên cứu hiện tượng này, các nhà vật lý đã hình dung ra được phương thức nó xảy ra. Các phần tử nhỏ trong khối chất siêu lỏng sẽ bám trên bề mặt vật thể trong khi nó di chuyển, điều này sẽ ngăn cản sự tương tác giữa vật thể và môi trường xung quanh nó. Do đó toàn bộ kết cấu của khối chất siêu lỏng sẽ được bảo toàn.

Nhà vật lý học Samuli Autti của Đại học Lancaster ở Anh cho biết: "Trường vật chất heli-3 siêu lỏng tạo ra một môi trường giống như chân không đối với một vật thể di chuyển qua nó, mặc dù nó là một chất lỏng tương đối đặc. Hoàn toàn không có một trở lực nào cả. Tôi thấy điều này thật thú vị."

Chất lỏng siêu lỏng là một loại chất lỏng có độ nhớt bằng không và không tạo ma sát, do đó dòng chất lỏng này khi chuyển động sẽ không mất đi động năng. Chúng có thể được tạo ra tương đối dễ dàng từ các hạt boson của đồng vị heli-4, khi được làm lạnh xuống mức chỉ trên độ không tuyệt đối, và với tốc độ làm lạnh đủ chậm để các hạt chồng lên nhau và tạo thành một cụm nguyên tử mật độ cao. Chúng hoạt động như một 'siêu nguyên tử'.

Tuy nhiên, những 'siêu nguyên tử' này chỉ tạo thành một loại vật chất siêu lỏng. Loại còn lại được hình thành bởi hạt đối lập với boson là fermion. Fermion là các hạt cơ bản bao gồm các hạt cấu thành nên nguyên tử như electron hay quark.

Khi được làm lạnh dưới một nhiệt độ nhất định, hai fermion trở nên liên kết với nhau tạo nên ‘cặp Cooper’ và cùng nhau cấu thành nên khối boson tổng hợp. Các cặp Cooper này hoạt động tương tự như hạt boson, và do đó có thể tạo thành chất siêu lỏng.

Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp ra vật chất siêu lỏng từ các fermion heli-3, một đồng vị hiếm của heli khi thiếu một neutron. Khi được làm lạnh đến một phần mười nghìn độ trên độ không tuyệt đối (0,0001 Kelvin, hoặc -273,15 độ C / -459,67 độ F), hạt heli-3 tạo thành các cặp Cooper.

Kết cấu của khối vật chất siêu lỏng này khá dễ bị sụp đổ và các cặp Cooper có thể bị vỡ ra nếu một vật thể di chuyển qua nó với một vận tốc lớn hơn một con số nhất định, được gọi là vận tốc Landau tới hạn.

Trong một bài nghiên cứu vào năm 2016, các nhà nghiên cứu từ Đại học Lancaster phát hiện ra rằng một vật thể có hình dạng ‘thanh dây’ có thể di chuyển qua chất siêu lỏng helium-3 với vận tốc vượt quá vận tốc Landau tới hạn mà không phá vỡ liên kết giữa các cặp.

Trong các thí nghiệm tiếp theo, họ tiến hành đo giá trị lực cần thiết ban đầu để di chuyển vật thể này trong môi trường vật chất siêu lỏng. Các nhà nghiên cứu đo được một lực có độ lớn cực nhỏ để vật thể bắt đầu chuyển động, nhưng một khi nó đang chuyển động, lực cần thiết để tiếp tục di chuyển bằng 0 - tức là chỉ cần một lực nhẹ để thúc đẩy và không cần một lực tác động nào sau đó để duy trì.

Nhóm nghiên cứu kết luận rằng, lực khởi điểm ban đầu đến từ các cặp Cooper chuyển động xung quanh vật thể, tác dụng lực ban đầu nhỏ đó lên vật thể dạng ‘thanh dây’ để nó thích ứng với chuyển động. Sau đó, về cơ bản là vật thể được bọc một lớp vật chất cấu thành bởi các cặp Cooper, và nó có thể tự do di chuyển mà không có lực cản, cũng không cần lực để duy trì chuyển động.

Nhà vật lý Ash Jennings thuộc Đại học Lancaster cho biết: “Bằng cách thay đổi hướng chuyển động của thanh dây, chúng tôi có thể kết luận rằng, ngay cả khi tốc độ của nó rất cao, nó sẽ bị ẩn trong khối vật chất siêu lỏng do các hạt liên kết bao phủ nó”.

Phát hiện mới này có thể đem đến một số ý tưởng thú vị. Ví dụ như, vật chất siêu lỏng cấu thành bởi hạt fermion có thể được sử dụng để tạo ra chất siêu dẫn, do đó chúng có thể được nghiên cứu như một thành phần quan trọng của máy tính lượng tử, và những khám phá về phương thức hoạt động của vật chất siêu lỏng sẽ trực tiếp dẫn chúng ta tới mục tiêu đó.

Quang Minh

Theo Livescience

Khoa học Công nghệ


BÀI CHỌN LỌC

Nghiên cứu gần đây cho thấy không tồn tại tốc độ giới hạn trong siêu lỏng