Từ những nghiên cứu có tính đột phá đến một bài thơ lấy cảm hứng từ vật lý lượng tử đều có trong 10 câu chuyện yêu thích năm 2018 của ngành vật lý, theo sự lựa chọn của Hội Vật lý Mỹ.
Graphene: Một chất siêu dẫn mới
Graphene hai lớp xoắn gồm hai tấm graphene đặt sát nhau, với một tấm được xoay nhẹ so với tấm kia. Sự xoắn tạo ra một siêu mạng cho các điện tử dẫn có chu kỳ lớn hơn nhiều so với khoảng cách giữa các nguyên tử carbon. Đối với sự xoắn như được hiển thị trên hình này, có thể coi các điện tử dẫn như thể chúng di chuyển trong một siêu mạng lục giác (đường màu vàng) hoặc siêu mạng hình tam giác (các tâm của các hình lục giác màu vàng.)
Kết quả sáng giá nhất của vật lý chất rắn trong năm 2018 là từ hai tấm graphene. Các nhà nghiên cứu của Mỹ và Nhật đã phát hiện thấy tính siêu dẫn trong hai lớp graphene xếp chồng lên nhau và bị xoắn với nhau. Tính siêu dẫn mà họ đã phát hiện được giống như trong các chất siêu dẫn nhiệt độ cao, tạo khả năng cho phép sử dụng graphene xoắn như một hệ mô hình để nghiên cứu tính chất này. Nhóm nghiên cứu đã tạo ra “một cơn bão” trong cuộc họp của Hội Vật lý Mỹ hồi tháng 3 khi họ mới chỉ cho biết phát hiện của họ trong một cuộc nói chuyện ở phòng chờ (cuộc nói chuyện này đồng thời được truyền trực tiếp tới hàng trăm người khác đang tụ tập trước một màn hình trong một phòng giải trí tại Trung tâm Hội nghị Los Angeles. Các thí nghiệm đã châm ngòi cho một loạt các nghiên cứu lý thuyết, mỗi lý thuyết đều cố gắng giải thích hành vi độc đáo này. Một dự đoán cho rằng tính siêu dẫn của graphene xoắn cũng có thể có tính topo, một tính chất mong muốn cho tính toán lượng tử.
Hạt Higgs xuất hiện cùng các Quark nặng nhất
Sự phân rã của boson Higgs thành một cặp quark đáy, là kênh phân rã hạt dễ xảy ra nhất.
Sau khi phát hiện được hạt boson Higgs vào năm 2012, việc tiếp theo là kiểm tra xem nó có hành xử như mong đợi hay không. Hai thí nghiệm như vậy đã được tiến hành tại CERN. Các thí nghiệm này đo tương tác của các quark nặng nhất với hạt Higgs và đã đạt được tiêu chuẩn “5 sigma” (“5 sigma” là một tiêu chuẩn vàng cho một khám phá trong vật lý: chỉ có 1 trên 3,5 triệu cơ hội cho tín hiệu sai). Phân tích các va chạm proton-proton, CMS và ATLAS đã xác định được cường độ tương tác giữa quark đỉnh (top quark) và hạt boson Higgs bằng cách đo tần suất hạt boson Higgs được sinh ra cùng quark đỉnh và phản quark đỉnh (top antiquark). Sau đó CMS và ATLAS tiếp tục hợp tác và đã quan sát được, lần đầu tiên, sự rã của hạt boson Higgs thành các quark đáy (bottom quark). Sự phân rã này hẳn là số phận của hạt boson Higgs, nhưng cực kỳ khó phát hiện trên nền dày đặc của các quark đáy được tạo ra trong một thí nghiệm điển hình. Cho đến nay, tất cả các phép đo đều phù hợp với mô hình chuẩn của vật lý hạt cơ bản, nhưng vẫn còn những sự bất định có thể tạo ra đủ chỗ cho một vật lý mới “ngọ nguậy”.
Các lý thuyết về vật chất tối cắt bỏ cục u
Trong năm 2018 đã có nhiều chấn động về vấn đề vật chất tối. Với một màn trình diễn đáng thất vọng từ các ứng viên chính cho lý thuyết về vật chất tối, được gọi là lý thuyết WIMP (Weakly Interacting Massive Particles: Các hạt nặng tương tác yếu), các ứng viên khác (không dựa nhiều vào WIMP) cũng đã nổi lên ganh đua cho vị trí dẫn đầu. Một trong những ứng viên như thế cho vật chất tối, các lỗ đen nguyên thủy, đã thu hút được nhiều sự chú ý sau khi sự hợp tác giữa LIGO và Virgo phát hiện sự sáp nhập của các lỗ đen. Nhưng sự phấn khích đã giảm sút ngay sau khi một nghiên cứu về siêu tân tinh phát hiện ra rằng các lỗ đen không thể choán hết vật chất tối. Tuy nhiên, sự kiện giật gân lớn nhất trong năm lại là tín hiệu hấp thụ bất ngờ từ khí hydro vào thời điểm xuất hiện của những ngôi sao đầu tiên. Để giải thích những quan sát này, các nhà lý thuyết đã đưa ra đề xuất cho rằng khí đã được làm mát thông qua các tương tác với vật chất tối. Có một khả năng là các hạt vật chất tối mang điện tích rất nhỏ.
Mật mã lượng tử thông qua vệ tinh
Vệ tinh Micius đã chuyển các tín hiệu lượng tử an toàn giữa Trung Quốc và Áo. Hình ảnh cho thấy laser đỏ của Đài quan sát Xinglong theo dõi vệ tinh khi nó di chuyển trên bầu trời, phát ra tia laser xanh xuất hiện dưới dạng một điểm tại bất kỳ thời điểm nào.
Lần đầu tiên các nhà nghiên cứu Trung Quốc và Áo đã sử dụng kết nối qua vệ tinh để tổ chức hội nghị truyền hình xuyên lục địa được bảo mật bởi mật mã học lượng tử. Việc bảo mật dữ liệu được thực hiện dựa trên giao thức phân phối khóa lượng tử (Quantum Key Distribution): các đối tác trao đổi các khóa mật mã được mã hóa trong các photon rối lượng tử với nhau. Phân phối khóa lượng tử đường dài đã được thực hiện trước đây trong các mạng sợi quang trên mặt đất, nhưng tổn thất quang học trong các sợi này đã giới hạn khoảng cách liên lạc (chỉ có thể áp dụng được với khoảng cách cỡ vài trăm km là cùng). Vì các photon truyền trong không trung (không phải trên mặt đất) hầu như không bị nhiễu, hai trạm vệ tinh cách xa nhau 7600 km đã được bố trí để làm thí nghiệm. Bằng cách trao đổi các khóa bí mật ở tốc độ vài kilohertz, các bên có thể gửi các hình ảnh được mã hóa lượng tử và tổ chức một hội nghị truyền hình an toàn kéo dài 75 phút với lượng dữ liệu sử dụng là 2 gigabyte. Cuộc trình diễn về truyền thông lượng tử như vậy là một tin tốt cho những ai muốn có Internet lượng tử toàn cầu thông qua một mạng lưới các trạm mặt đất và các vệ tinh trên không trung.
Câu đố về neutrino lại phức tạp trở lại
Sơ đồ thí nghiệm MiniBooNE tại Fermilab. Một chùm proton cường độ cao được gia tốc và tiêu điểm vào một mục tiêu, tạo ra các hạt pion; các pion chủ yếu phân rã thành các muon và neutrino muon. Chùm neutrino được đặc trưng bởi máy dò MiniBooNE.
Các nhà nghiên cứu trong thí nghiệm MiniBooNE tại phòng thí nghiệm Fermi (Fermilab) ở Illinois, Mỹ, đã phát hiện ra một tín hiệu không tương thích với các dao động của neutrino, chỉ liên quan đến ba hương vị đã biết của neutrino. Xác nhận kết quả trước đó từ máy dò neutrino lỏng (Liquid Scintillator Neutrino Detector -- LSND) ở Los Alamos, với ý nghĩa thống kê cao hơn, phát hiện này cho gợi ý là neutrino muon có thể biến đổi thành neutrino electron trong những khoảng cách ngắn hơn nhiều so với dự kiến. Cả hai kết quả (trong thí nghiệm MiniBooNE và thí nghiệm từ LSND) đều có thể được giải thích bằng một lý thuyết liên quan đến một neutrino thứ tư, neutrino “khô khan” (“sterile”), là loại neutrino chỉ tương tác thông qua hấp dẫn (gravity). Nhưng xem ra giả thuyết về neutrino “khô khan” có những khiếm khuyết nghiêm trọng vì nó không phù hợp với những kết quả khác, mới thu được gần đây, đối với các neutrino được tạo ra trong các máy gia tốc và lò phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, kết quả mới trong thí nghiệm MiniBooNE lại khơi lại cuộc tranh luận về các hạt này: sự tồn tại của chúng có khả năng giải thích vật chất tối và sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất trong Vũ trụ.
Các con quay với tốc độ 60 tỷ vòng trên phút
Hãy tưởng tượng trò chơi với các con quay bốn mặt (dreidel) quay với tốc độ 60 tỷ vòng trên phút. Có hai nhóm đã lập kỷ lục thế giới một cách độc lập bằng cách quay các đối tượng với tốc độ như vậy. Các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Zurich và Đại học Purdue ở Indiana, Mỹ, đã sử dụng ánh sáng phân cực tròn có điện trường quay để xoay tròn các vật thể có kích thước nanômét. Lực ly tâm ở tốc độ quay lớn như vậy gần như đủ để phá vỡ các con quay silica, do đó kỹ thuật này có thể áp dụng để kiểm tra độ căng giữa các bộ phận của các máy có kích thước nanômét, các nhóm nghiên cứu cho biết. Kỹ thuật này cũng có thể được áp dụng để nghiên cứu một dạng lượng tử rất khó phát hiện của ma sát quay, được gọi là mô-men xoắn Casimir (Casimir torque), một hiệu ứng ma sát được sinh ra từ sự tương tác của vật thể với các hạt ảo của chân không lượng tử.
Hệ đo lường quốc tế giảm tiêu chuẩn Kilôgam
Trong lịch sử các đơn vị đo lường được dựa trên những thứ hữu hình, như bàn tay con người, thể tích nước hoặc khối kim loại. Nhưng những những thứ hữu hình như vậy có thể thay đổi theo thời gian hoặc địa điểm, đó là lý do tại sao cộng đồng đo lường thế giới đã bỏ phiếu vào tháng 11 để thông qua các định nghĩa phổ quát hơn cho hệ thống đơn vị quốc tế (SI). Bốn đơn vị bị thay đổi là kilôgam, ampe, kelvin và mol. Các đơn vị này sẽ được định nghĩa theo các hằng số vật lý cơ bản, như hằng số Planck và điện tích cơ bản. Nhưng không có gì đáng phiền phức đối với các thiết bị đo lường vẫn sử dụng hằng ngày như cân trong phòng tắm, nhiệt kế cơ thể v.v..., vì nhiệm vụ/chức năng của những thiết bị này vẫn như cũ. Duy nhất chịu sự thay đổi lớn là nguyên mẫu quốc tế kilôgam, một hình trụ bằng bạch kim hiện đang được giữ ở Paris, Pháp, nay sẽ không còn mang danh hiệu tiêu chuẩn của khối lượng đối trên toàn thế giới.
Xi nê về sự mọc lên của tinh thể
Từ nhiều thập kỷ nay kính hiển vi điện tử đã cho ta những hình ảnh tuyệt đẹp của các nguyên tử và phân tử. Nhưng video về một dây cỡ nanômét mà trên đó một lớp nguyên tử được mọc lên tại một thời điểm lại là video phổ biến nhất trong số những video đã được chia sẻ trên phương tiện truyền thông xã hội - có lẽ vì nó giống như ta đang xem xi nê về sự hoạt động của một máy in 3D nhỏ nhất thế giới. Để hiểu làm thế nào mà các nguyên tử tự định vị được khi một tinh thể mọc ra khỏi một chất lỏng, các nhà nghiên cứu ở Pháp đã theo dõi quá trình này bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscope). Chất lỏng là một giọt vàng (gold) cỡ nanômét được làm siêu bão hòa bởi các nguyên tử gallium và arsenide. Đoạn video cho thấy các nguyên tử rơi ra từ bên dưới giọt nước nano vàng để tạo ra một “nấc” tại một góc của giao diện giữa chất rắn và chất lỏng. Nấc sau đó, khi có thêm nhiều nguyên tử, quét qua bề mặt để tạo ra một lớp tinh thể mới.
Các phương trình cho vải dệt kim
Sợi có khả năng chống co giãn, nhưng áo len dệt kim lại rất hay bị co giãn. Bị hấp dẫn bởi điều dường như là mâu thuẫn này, các nhà vật lý tại École Normale Supérieure ở Paris và Lyon, Pháp, đã nghiên cứu quá trình giãn của vải dệt kim. Nhóm nghiên cứu đã làm giãn một cách có kiểm soát một tấm vải được dệt bằng sợi nylon rồi sau đó nghĩ ra một vài phương trình đơn giản để lý giải các tính chất vật liệu mà họ quan sát được. Trước đây những người khác đã đề xuất rằng sự co giãn là do sự trượt của sợi từ mũi khâu đến mũi khâu và từ các mũi khâu bị biến dạng. Nhưng các phương trình mới này tỏ ra thích hợp với bất kỳ mẫu khâu nào và giải thích được quá trình một cách định lượng. Nhóm nghiên cứu hy vọng các kết quả của họ có thể hữu ích cho các kỹ sư trong việc phát triển cái gọi là vải thông minh, ví dụ, như loại vải có thể nhận các hình dạng đặc biệt khác nhau để đáp ứng với nhiệt.
Một trang điểm thơ mộng của vật lý lượng tử
Nhiều người cảm thấy khó có thể tìm ra những từ ngữ thích hợp để mô tả chính xác thế giới kỳ quặc của các vật thể lượng tử và các quy tắc thách thức logic của nó. Nhưng đó lại chính là điều mà các nhà nghiên cứu và các nghệ sĩ vẫn luôn cố gắng làm. Có một nghệ sĩ như vậy, nhà thơ Amy Catanzano, người đã nghĩ rằng thơ có thể là một phương tiện để phát triển một ngôn ngữ hiệu quả hơn nhằm truyền đạt những ý tưởng phức tạp của vật lý lượng tử. Trong năm, nữ nhà thơ Amy Catanzano, đã đưa ý tưởng của mình vào thực tế bằng việc sáng tác một bài thơ về máy tính lượng tử tôpô gồm bốn qubit. Bài thơ có ý diễn dịch lý thuyết cách hoạt động của máy tính lượng tử thông qua các cách lựa chọn từ ngữ và cấu trúc của nó. Việc các nhà vật lý sẽ chấp nhận thơ như một ngôn ngữ cho vật lý lượng tử hay không vẫn còn gây tranh cãi. Nhưng, dù thế nào, bài thơ này cũng vạch ra một con đường khả dĩ cho những người ngoài ngành vật lý có thể làm quen với một số khái niệm lượng tử khó nhằn.