Khám phá vật lý kỳ thú: băng – lửa đảo ngược, trạng thái 'băng' và 'lửa' tồn tại nghịch đảo trong cùng vật liệu, mở đường cho công nghệ lượng tử

[Hoàng Khang]

Các nhà vật lý vừa khám phá ra một trạng thái vật chất kỳ lạ mới, nơi trật tự và hỗn loạn tồn tại song song một cách nghịch đảo so với những gì quan sát được trước đây. Phát hiện này, được gọi là trạng thái "băng – lửa đảo ngược" (inverse ice-fire), không chỉ thách thức hiểu biết của chúng ta về vật lý vật chất ngưng tụ mà còn mở ra những triển vọng thú vị cho các công nghệ lượng tử trong tương lai.

Những điểm chính:

• Các nhà khoa học phát hiện trạng thái vật chất kỳ lạ mới "băng – lửa đảo ngược" trong vật liệu từ tính Sr₃CuIrO₆.
• Trạng thái này là nghịch đảo của trạng thái "nửa lửa, nửa băng" được phát hiện trước đó (năm 2016) trên cùng vật liệu.
• Trong trạng thái mới: spin electron ở nguyên tử Đồng (Cu) trật tự ("băng"), trong khi ở Iridi (Ir) hỗn loạn ("lửa").
• Sự chuyển pha đột ngột giữa các trạng thái này có tiềm năng ứng dụng trong điện toán lượng tử, spintronics, lưu trữ lượng tử và làm lạnh lượng tử.
• Nghiên cứu được thực hiện bởi nhóm tại Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (Mỹ) và công bố trên Physical Review Letters.

Trạng thái nghịch đảo trong vật liệu từ tính đặc biệt

Khám phá mới được thực hiện trên một vật liệu từ tính có công thức hóa học Sr₃CuIrO₆ (hợp chất chứa Stronti, Đồng, Iridi và Oxy).

Trước đó, vào năm 2016, các nhà nghiên cứu Alexei Tsvelik và Weiguo Yin từ Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (Mỹ) đã phát hiện ra trạng thái "nửa lửa, nửa băng" (half fire, half ice) trong chính vật liệu này khi thay đổi nhiệt độ và áp dụng từ trường bên ngoài. Ở trạng thái đó:

• Spin của các electron tại vị trí nguyên tử Đồng (Cu) hoàn toàn hỗn loạn, không trật tự – giống như một ngọn lửa bất kham ("lửa").
• Spin của các electron tại vị trí nguyên tử Iridi (Ir) lại sắp xếp thành một trật tự nhất định – giống như băng giá tĩnh lặng ("băng").

Giờ đây, cũng trên vật liệu Sr₃CuIrO₆, nhóm nghiên cứu đã phát hiện ra điều ngược lại trong những điều kiện nhiệt độ và từ trường cực kỳ cụ thể. Ở trạng thái "băng – lửa đảo ngược" mới này:

• Spin của các electron tại nguyên tử Đồng (Cu) trở nên "đóng băng", sắp xếp có trật tự ("băng").
• Spin của các electron tại nguyên tử Iridi (Ir) lại trở nên hỗn loạn, nóng bỏng và rối loạn ("lửa").

Điều đặc biệt là quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái "lửa-băng" và "băng-lửa" này xảy ra một cách cực kỳ đột ngột (chuyển pha sắc nét), một đặc tính mà các nhà khoa học tin rằng có thể khai thác cho các ứng dụng công nghệ.

Tiềm năng cho công nghệ lượng tử và hơn thế nữa

"Việc phát hiện các trạng thái mới với các thuộc tính vật lý kỳ lạ – và khả năng hiểu, điều khiển quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái đó – là một trong những vấn đề trung tâm của vật lý vật chất ngưng tụ và khoa học vật liệu," Tiến sĩ Yin chia sẻ.
Việc làm chủ được các trạng thái lượng tử kỳ lạ này có thể mở đường cho những bước tiến lớn trong nhiều lĩnh vực công nghệ cao:

• Điện toán lượng tử: Các trạng thái spin có trật tự và hỗn loạn có thể được sử dụng để mã hóa và xử lý thông tin lượng tử.
• Spintronics: Ngành điện tử học dựa trên spin của electron (thay vì chỉ dựa trên điện tích như điện tử học truyền thống), hứa hẹn tạo ra các thiết bị nhanh hơn, nhỏ hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.
• Lưu trữ lượng tử: Thay vì chỉ dùng bit 0 và 1, các trạng thái "lửa/băng" và "băng/lửa" có thể được dùng để mã hóa thông tin, tăng mật độ lưu trữ.
• Công nghệ làm lạnh tiên tiến: Khả năng kiểm soát sự chuyển pha đột ngột giữa trật tự và hỗn loạn ở cấp độ lượng tử có thể ứng dụng trong các hệ thống làm lạnh siêu chính xác.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

Nhóm nghiên cứu cho biết họ sẽ tiếp tục khám phá hiện tượng "băng-lửa" này trong các hệ spin lượng tử phức tạp hơn, nơi có sự tương tác của mạng tinh thể, điện tích và quỹ đạo của electron. "Cánh cửa đến với những khả năng mới hiện đang mở rộng," Tiến sĩ Yin lạc quan.
Nghiên cứu về trạng thái "băng-lửa đảo ngược" vừa được công bố trên tạp chí khoa học uy tín Physical Review Letters.

Việc phát hiện ra trạng thái vật chất "băng-lửa đảo ngược" là một minh chứng nữa cho sự kỳ diệu và phức tạp của thế giới lượng tử. Nó không chỉ làm phong phú thêm hiểu biết của chúng ta về vật lý cơ bản mà còn gợi mở những hướng đi mới đầy hứa hẹn cho việc phát triển các công nghệ lượng tử đột phá trong tương lai.

5 Từ Khóa Chính:

1. Trạng thái vật chất
2. Băng lửa đảo ngược (Inverse ice-fire)
3. Vật lý lượng tử
4. Sr3CuIrO6 (Vật liệu)
5. Công nghệ lượng tử

10 Tiêu Đề Hấp Dẫn Khác:

1. Khám phá vật lý kỳ thú: Trạng thái 'băng' và 'lửa' tồn tại nghịch đảo trong cùng vật liệu
2. Sr₃CuIrO₆: Vật liệu từ tính hé lộ trạng thái lượng tử 'băng-lửa đảo ngược'
3. Từ 'nửa lửa nửa băng' đến 'băng lửa đảo ngược': Bước tiến mới trong vật lý vật chất
4. Kiểm soát 'lửa' và 'băng' ở cấp độ nguyên tử: Chìa khóa cho máy tính lượng tử?
5. Spintronics thế hệ mới có thể ra đời từ trạng thái 'băng-lửa đảo ngược'?
6. Làm lạnh bằng hiệu ứng lượng tử? Tiềm năng từ vật liệu Sr₃CuIrO₆
7. Phòng thí nghiệm Brookhaven khám phá trạng thái vật chất chưa từng thấy
8. Công bố trên Physical Review Letters: Phát hiện trạng thái 'băng-lửa đảo ngược'
9. Khi trật tự và hỗn loạn 'đổi vai' trong thế giới lượng tử
10. Tương lai công nghệ có thể được viết lại nhờ trạng thái 'băng-lửa đảo ngược'?