☕ Nhàn đàm S&T: Quantum physics in action ⚛
~Phác họa bài
post:
Đề dẫn.
❶. Một loạt các thí nghiệm đột phá
❷. Tunnels and
crossings (Hiện tượng xuyên hầm và giao cắt lượng tử)
❸. Nhóm nghiên
cứu làm những gì?
❹. Lợi ích
thực tế và lý thuyết
🤔. Suy ngẫm chậm
~
Để giúp anh/chị
quyết định có đọc tiếp hay không, tôi xin phép cung cấp các thông tin liên quan
đến bài post này như sau:
·
Chủ
đề: Quantum physics (Vật
lý lượng tử)
·
Tính
thời sự: tháng 10/2025
·
Thời
gian đọc: 10 phút, kể cả
thời gian uống cà phê (uống cà phê xong là đọc xong)
Đề dẫn
Nói về mức độ khó hiểu thì khó có thể tìm thấy vấn đề nào
trong Vật lý khó hiểu hơn cơ học lượng tử. Năm nay giải Nobel Vật lý được trao
cho các nhà khoa học nghiên cứu về cơ học lượng tử [thông cáo báo chí].
Tóm tắt: The Nobel Prize in Physics 2025 was awarded
jointly to John Clarke, Michel H. Devoret and John M. Martinis “for the
discovery of macroscopic quantum mechanical tunnelling and energy quantisation
in an electric circuit”.
Tạm dịch: Giải Nobel Vật lý năm 2025 được trao chung
cho John Clarke, Michel H. Devoret và John M. Martinis “vì khám phá hiện tượng
đường hầm lượng tử vĩ mô và sự lượng tử hóa năng lượng trong một mạch điện.”
-
Một điểm thú vị: tiêu đề của thông cáo báo chí là “Their
experiments on a chip revealed quantum physics in action” – tạm dịch: “Các
thí nghiệm trên một con chip đã phơi bày cơ học lượng tử đang hiện hữu”. Diễn
giải một cách dân dã: cơ học lượng tử | vật lý lượng tử là có thật đấy! 😊
-
Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển (Royal Swedish
Academy of Sciences) đăng 2 bài tiếng Anh liên quan đến giải thưởng này: Popular
information (Thông tin phổ thông) và Scientific
Background (Cơ sở khoa học). Sau đây là bản dịch Popular
information ra tiếng Việt, với sự trợ giúp của ChatGPT.
❶. Một loạt các thí nghiệm đột phá
Điều này trái
ngược với các hiện tượng vĩ mô, vốn bao gồm một số lượng hạt rất lớn.
Ví dụ, một quả bóng thông thường được cấu tạo từ một số lượng phân tử
khổng lồ ở cấp độ thiên văn và không biểu hiện các hiệu ứng cơ học lượng
tử. Chúng ta biết rằng quả bóng sẽ luôn nảy ngược lại mỗi khi bị ném
vào tường.
Tuy nhiên, một
hạt đơn lẻ đôi khi có thể đi xuyên thẳng qua một rào cản tương đương
trong thế giới vi mô của nó và xuất hiện ở phía bên kia. Hiện tượng cơ học
lượng tử này được gọi là xuyên hầm (tunnelling).
©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Khi bạn ném một quả bóng vào tường, bạn có thể chắc chắn rằng nó sẽ nảy ngược trở lại. Sẽ thật khó tin nếu quả bóng đột nhiên xuất hiện ở phía bên kia của bức tường rắn.
Chính loại hiện tượng như vậy đã khiến vật lý lượng tử nổi tiếng là kỳ lạ và trái với trực giác thông thường.
Giải Nobel Vật
lý năm nay vinh danh các thí nghiệm đã chứng minh rằng hiện tượng xuyên hầm
lượng tử có thể được quan sát ở quy mô vĩ mô, tức là trong các hệ gồm
rất nhiều hạt.
Vào các năm 1984
và 1985, John Clarke, Michel Devoret và John Martinis
đã thực hiện một loạt thí nghiệm tại Đại học California, Berkeley. Họ chế
tạo một mạch điện gồm hai chất siêu dẫn — những linh kiện có khả
năng dẫn dòng điện mà không có điện trở. Hai chất siêu dẫn này được ngăn
cách bởi một lớp vật liệu mỏng hoàn toàn không dẫn điện.
Trong thí nghiệm
này, họ đã chứng minh rằng có thể điều khiển và nghiên cứu một hiện tượng
trong đó tất cả các hạt mang điện trong chất siêu dẫn cùng dao động đồng bộ,
như thể chúng hợp lại thành một hạt duy nhất lan tỏa khắp toàn bộ mạch
điện.
©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Ban đầu, thí nghiệm không có điện áp nào cả. Điều này giống như một cần gạt đang ở vị trí “tắt”, và có một vật cản ngăn không cho nó chuyển sang “bật”.
Nếu không có các hiệu ứng của cơ học lượng tử, trạng thái này sẽ giữ nguyên mãi mãi.
Đột nhiên, một điện áp xuất hiện — giống như cần gạt đã chuyển từ “tắt” sang “bật”, mặc dù vẫn tồn tại rào cản giữa hai trạng thái đó.
Hiện tượng xảy ra trong thí nghiệm này được gọi là hiện tượng xuyên hầm lượng tử vĩ mô (macroscopic quantum tunnelling).
Hệ thống có
tính chất giống như một hạt này bị giam giữ trong một trạng thái
mà trong đó dòng điện chạy mà không có điện áp – một trạng thái mà hệ thống
không có đủ năng lượng để thoát ra.
Trong thí nghiệm,
hệ thống đã thể hiện bản chất lượng tử của mình bằng cách sử dụng hiện
tượng xuyên hầm để thoát khỏi trạng thái không điện áp, từ đó tạo
ra một điện áp.
Các nhà khoa học
đoạt giải cũng đã chứng minh rằng hệ này được lượng tử hóa, nghĩa là nó chỉ
hấp thụ hoặc phát ra năng lượng theo những mức rời rạc nhất định, chứ không
liên tục.
-
❷. Tunnels and crossings (Xuyên hầm và giao cắt lượng tử)
Để thực hiện được
các nghiên cứu này, các nhà khoa học đoạt giải đã dựa vào những khái
niệm và công cụ thực nghiệm được phát triển qua nhiều thập kỷ.
Cùng với thuyết
tương đối, vật lý lượng tử tạo thành nền tảng của cái gọi là vật
lý hiện đại, và trong hơn một thế kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã
không ngừng khám phá những hàm ý sâu xa mà nó mang lại.
-
Khả năng
xuyên hầm của các hạt riêng lẻ
đã được biết đến từ lâu. Năm 1928, nhà vật lý George Gamow nhận
ra rằng hiện tượng xuyên hầm chính là nguyên nhân khiến một số hạt
nhân nguyên tử nặng phân rã theo một cách đặc trưng.
Sự tương tác
giữa các lực bên trong hạt nhân
tạo ra một rào thế bao quanh, giữ chặt các hạt bên trong nó. Tuy nhiên, đôi
khi một phần nhỏ của hạt nhân có thể tách ra, vượt qua rào thế
và thoát ra ngoài, để lại một hạt nhân đã biến đổi thành một nguyên tố
khác.
Nếu không có
hiện tượng xuyên hầm, kiểu phân rã hạt nhân này sẽ không thể xảy
ra.
-
Xuyên hầm là một quá trình cơ học lượng tử,
trong đó yếu tố ngẫu nhiên đóng vai trò quan trọng. Một số loại hạt
nhân nguyên tử có rào thế cao và rộng, nên phải mất rất lâu mới
có thể xuất hiện một phần của hạt nhân ở bên ngoài rào; trong khi đó, một số
loại khác lại phân rã dễ dàng hơn.
Nếu chỉ quan
sát một nguyên tử duy nhất, chúng ta không thể dự đoán chính xác
khi nào hiện tượng này xảy ra. Tuy nhiên, bằng cách quan sát sự phân rã của
một số lượng lớn hạt nhân cùng loại, ta có thể xác định được thời gian
trung bình trước khi hiện tượng xuyên hầm xảy ra.
Cách mô tả phổ
biến nhất cho hiện tượng này là thông qua khái niệm chu kỳ bán rã
(half-life) — tức là khoảng thời gian cần thiết để một nửa số hạt nhân
trong mẫu phân rã.
©Johan Jarnestad/The
Royal Swedish Academy of Sciences
Các nhà vật lý đã biết gần một thế kỷ nay rằng hiện tượng xuyên hầm là điều thiết yếu đối với một dạng phân rã hạt nhân đặc biệt – đó là phân rã alpha.
Trong quá trình này, một phần rất nhỏ của hạt nhân nguyên tử tách ra và xuất hiện ở bên ngoài hàng rào năng lượng của nó.
Các nhà vật lý
nhanh chóng đặt ra câu hỏi liệu có thể nghiên cứu một dạng xuyên hầm liên
quan đến nhiều hạt cùng lúc hay không.
Một hướng tiếp
cận đối với những kiểu thí nghiệm mới bắt nguồn từ một hiện tượng xuất
hiện khi một số vật liệu được làm lạnh đến nhiệt độ cực thấp.
-
Trong một vật
liệu dẫn điện thông thường, dòng điện chảy là do có các electron
tự do có thể di chuyển xuyên suốt vật liệu.
Tuy nhiên,
trong một số vật liệu đặc biệt, các electron riêng lẻ khi di chuyển
qua chất dẫn có thể tự sắp xếp lại, tạo thành một chuyển động đồng bộ
— một “điệu nhảy cộng hưởng” diễn ra mà không gặp bất kỳ điện trở nào.
Khi đó, vật liệu trở thành chất siêu dẫn, và các electron liên kết
thành từng cặp.
Những cặp này
được gọi là cặp Cooper (Cooper pairs), theo tên của Leon
Cooper, người cùng với John Bardeen và Robert Schrieffer đã
đưa ra mô tả chi tiết về cơ chế hoạt động của các chất siêu dẫn — công
trình đã mang lại cho họ Giải Nobel Vật lý năm 1972.
-
Các cặp
Cooper có hành vi
hoàn toàn khác so với các electron thông thường.
Các electron
vốn có tính “độc lập” cao và thích giữ khoảng cách với nhau – hai
electron không thể ở cùng một vị trí nếu chúng có cùng các đặc trưng
lượng tử. Ta có thể thấy điều này trong nguyên tử, nơi các electron phân
bố vào các mức năng lượng khác nhau, gọi là các lớp (shells).
Tuy nhiên, khi
các electron trong chất siêu dẫn kết hợp lại thành cặp, chúng mất
đi phần nào tính riêng lẻ của mình; trong khi hai electron riêng biệt
luôn phân biệt được với nhau, thì hai cặp Cooper lại có thể hoàn
toàn giống hệt nhau.
Điều này có
nghĩa là các cặp Cooper trong chất siêu dẫn có thể được mô tả như một
thực thể duy nhất, tức là một hệ cơ học lượng tử duy nhất. Trong ngôn
ngữ của cơ học lượng tử, chúng được mô tả bằng một hàm sóng duy nhất (wave
function).
Hàm sóng này thể hiện xác suất quan sát hệ
ở một trạng thái cụ thể và với các đặc trưng xác định.
- Trong một chất dẫn thông thường, các electron va chạm lẫn
nhau và tương tác với mạng tinh thể của vật liệu.
- Khi vật liệu trở thành chất siêu dẫn, các electron kết cặp
với nhau thành các cặp Cooper, và tạo nên một dòng điện không có điện trở.Khoảng trống trong hình minh họa biểu thị mối nối Josephson (Josephson
junction).
- Các cặp Cooper có thể hành xử như thể tất cả chúng là một hạt
duy nhất, bao phủ toàn bộ mạch điện.
Cơ học lượng tử mô tả trạng thái tập thể này thông qua một hàm sóng chung, và chính các đặc tính của hàm sóng đó đóng vai trò trung tâm trong thí nghiệm của các nhà khoa học đoạt giải.
Nếu hai chất
siêu dẫn được nối với nhau bằng một lớp cách điện mỏng nằm ở
giữa, ta sẽ tạo ra một mối nối Josephson (Josephson junction).
Linh kiện này
được đặt theo tên của Brian Josephson, người đã thực hiện các tính
toán cơ học lượng tử cho loại mối nối này. Ông phát hiện rằng những hiện
tượng đặc biệt xuất hiện khi xem xét các hàm sóng ở hai phía của mối nối
— phát hiện này đã mang lại cho ông Giải Nobel Vật lý năm 1973.
Mối nối
Josephson nhanh chóng
tìm được nhiều ứng dụng thực tiễn, bao gồm trong các phép đo chính
xác các hằng số vật lý cơ bản và đo từ trường với độ nhạy cực cao.
-
Cấu trúc này
cũng mang lại những công cụ mới để khám phá các nguyên lý nền tảng của
vật lý lượng tử theo một cách hoàn toàn khác.
Một trong những
người đã đi theo hướng này là Anthony Leggett (Giải Nobel Vật lý năm 2003),
người có các công trình lý thuyết về hiện tượng xuyên hầm lượng tử vĩ mô
trong mối nối Josephson. Nghiên cứu của ông đã truyền cảm hứng cho
nhiều dạng thí nghiệm mới trong lĩnh vực này.
-
❸. Nhóm nghiên cứu làm những gì?
Những chủ đề này hoàn toàn phù hợp với hướng nghiên cứu mà John Clarke quan tâm. Ông là giáo sư tại Đại học California, Berkeley (Mỹ), nơi ông công tác sau khi hoàn thành luận án tiến sĩ tại Đại học Cambridge (Vương quốc Anh) vào năm 1968.
Tại UC Berkeley, ông đã xây dựng nhóm nghiên cứu của
riêng mình và tập trung chuyên sâu vào việc khám phá nhiều hiện
tượng khác nhau bằng cách sử dụng các chất siêu dẫn và mối nối
Josephson.
-
Vào giữa những năm 1980, Michel Devoret gia nhập
nhóm nghiên cứu của John Clarke với vai trò nghiên cứu sau tiến sĩ (postdoc),
sau khi bảo vệ luận án tiến sĩ tại Paris. Trong nhóm còn có nghiên cứu
sinh tiến sĩ John Martinis.
Cùng nhau, họ đã đảm nhận thách thức là chứng minh
hiện tượng xuyên hầm lượng tử ở quy mô vĩ mô. Công việc này đòi hỏi mức
độ cẩn trọng và chính xác cực cao để loại bỏ mọi nhiễu loạn có thể ảnh
hưởng đến thí nghiệm.
Họ đã thành công trong việc tinh chỉnh và đo đạc tất
cả các đặc tính của mạch điện mà họ chế tạo, qua đó hiểu rõ chi tiết
hoạt động của hệ thống ở cấp độ lượng tử.
-
Để đo các hiện tượng lượng tử, họ truyền một dòng
điện yếu vào mối nối Josephson và đo điện áp, vốn liên
quan đến điện trở trong mạch.
Ban đầu, điện áp trên mối nối Josephson bằng không,
đúng như dự đoán. Điều này là do hàm sóng của hệ bị giam giữ trong một
trạng thái không cho phép xuất hiện điện áp.
Sau đó, họ nghiên cứu khoảng thời gian mà hệ cần để xuyên
hầm ra khỏi trạng thái này, dẫn đến sự hình thành điện áp.
Vì cơ học lượng tử luôn bao hàm yếu tố ngẫu nhiên, họ
đã thực hiện rất nhiều phép đo và biểu diễn kết quả dưới dạng đồ thị,
từ đó xác định được thời gian tồn tại của trạng thái không điện áp.
Cách tiếp cận này tương tự như phương pháp đo chu kỳ bán
rã của hạt nhân nguyên tử, vốn dựa trên thống kê của vô số sự kiện phân
rã riêng lẻ.
©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
John Clarke, Michel Devoret và John Martinis đã thiết lập một thí nghiệm sử dụng mạch điện siêu dẫn. Con chip chứa mạch này có kích thước khoảng một centimet.
Trước đây, hiện tượng xuyên hầm và lượng tử hóa năng lượng chỉ được nghiên cứu trong các hệ có rất ít hạt; nhưng trong thí nghiệm này, những hiện tượng đó xuất hiện trong một hệ cơ học lượng tử gồm hàng tỷ cặp Cooper, lấp đầy toàn bộ chất siêu dẫn trên con chip.
Theo cách đó, thí nghiệm đã đưa các hiệu ứng cơ học lượng tử từ quy mô vi mô lên quy mô vĩ mô.
Hiện tượng xuyên hầm cho thấy rằng các cặp Cooper
trong hệ thí nghiệm, với chuyển động đồng bộ như một “điệu nhảy cộng hưởng”,
hành xử như một hạt khổng lồ duy nhất.
Các nhà nghiên cứu đã xác nhận thêm điều này khi họ
quan sát thấy hệ có các mức năng lượng được lượng tử hóa. Cơ học lượng tử
có tên gọi như vậy chính vì năng lượng trong các quá trình vi mô được chia
thành những gói rời rạc, gọi là lượng tử (quanta).
Trong thí nghiệm, các nhà khoa học đoạt giải đã chiếu
sóng vi ba với nhiều bước sóng khác nhau vào trạng thái không điện áp.
Một phần của những sóng này bị hệ hấp thụ, khiến hệ chuyển lên mức
năng lượng cao hơn.
Điều này cho thấy rằng thời gian tồn tại của trạng thái
không điện áp trở nên ngắn hơn khi hệ chứa nhiều năng lượng hơn — chính
xác như cơ học lượng tử dự đoán.
Một hạt vi mô bị giam giữ sau một rào thế cũng
hoạt động theo cách tương tự.
©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences
Một hệ cơ học lượng tử nằm phía sau một rào cản năng lượng có thể tồn tại ở nhiều mức năng lượng khác nhau, nhưng nó chỉ có thể hấp thụ hoặc phát ra năng lượng theo những lượng xác định. Nói cách khác, hệ này được lượng tử hóa (quantised).
Hiện tượng xuyên hầm xảy ra dễ dàng hơn khi hệ ở mức năng lượng cao so với khi ở mức năng lượng thấp. Do đó, xét về mặt thống kê, một hệ có năng lượng cao sẽ thoát khỏi trạng thái bị giam giữ nhanh hơn so với một hệ có năng lượng thấp.
❹. Lợi ích thực tế và lý thuyết
Thí nghiệm này mang lại những ý nghĩa sâu sắc đối với việc
hiểu cơ học lượng tử.
Các hiệu ứng cơ học lượng tử khác được quan sát ở
quy mô vĩ mô thường được cấu thành từ vô số hạt vi mô riêng lẻ, mỗi
hạt có tính chất lượng tử riêng. Khi kết hợp lại, các thành phần
vi mô này tạo ra những hiện tượng vĩ mô như laser, chất siêu dẫn,
hay chất siêu lỏng.
Tuy nhiên, trong thí nghiệm này, các nhà khoa học đã tạo
ra một hiệu ứng vĩ mô – tức là một điện áp có thể đo được – xuất phát trực tiếp
từ một trạng thái vốn đã mang bản chất vĩ mô, được mô tả bằng một hàm
sóng chung của một số lượng khổng lồ các hạt.
-
Các nhà lý thuyết như Anthony Leggett đã so sánh hệ
lượng tử vĩ mô mà các nhà khoa học đoạt giải nghiên cứu với thí
nghiệm tưởng tượng nổi tiếng của Erwin Schrödinger — con mèo trong chiếc
hộp, nơi con mèo vừa sống vừa chết nếu ta chưa mở hộp để quan sát.
(Erwin Schrödinger nhận Giải Nobel Vật lý năm 1933.)
Mục đích của thí nghiệm tưởng tượng này là chỉ ra
tính phi lý của tình huống đó, vì những đặc tính đặc biệt của cơ học lượng
tử thường biến mất khi xét ở quy mô vĩ mô.
Do đó, các tính chất lượng tử của cả một con mèo không
thể được chứng minh bằng một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm thực tế.
-
Tuy nhiên, Anthony Leggett đã lập luận rằng chuỗi
thí nghiệm do John Clarke, Michel Devoret và John Martinis
thực hiện đã cho thấy có những hiện tượng liên quan đến một số lượng khổng lồ
các hạt, nhưng toàn bộ hệ vẫn tuân theo đúng các tiên đoán của cơ học lượng
tử.
Hệ vĩ mô này, bao gồm rất nhiều cặp Cooper,
tuy nhỏ hơn một chú mèo con hàng triệu triệu lần, nhưng vì thí nghiệm
đo được các đặc tính cơ học lượng tử của toàn bộ hệ, nên đối với một nhà
vật lý lượng tử, nó tương tự như “con mèo tưởng tượng của Schrödinger”.
-
Dạng trạng thái lượng tử vĩ mô này mở ra những tiềm
năng mới cho các thí nghiệm khai thác các hiện tượng chi phối thế giới
vi mô của các hạt.
Nó có thể được xem như một dạng “nguyên tử nhân tạo” ở
quy mô lớn — một nguyên tử có dây dẫn và cổng kết nối, có thể ghép
vào các hệ thí nghiệm mới hoặc ứng dụng trong công nghệ lượng tử hiện đại.
Ví dụ, các nguyên tử nhân tạo hiện đang được sử dụng
để mô phỏng các hệ lượng tử khác, giúp hiểu rõ hơn về hành vi và quy luật
của chúng.
-
Một ví dụ khác là thí nghiệm máy tính lượng tử được John
Martinis thực hiện sau đó, trong đó ông đã ứng dụng chính hiện tượng lượng
tử hóa năng lượng mà ông cùng hai nhà khoa học đoạt giải khác đã chứng
minh trước đó.
Ông sử dụng một mạch có các trạng thái năng lượng được lượng
tử hóa làm đơn vị mang thông tin – tức là một bit lượng tử
(qubit). Trạng thái năng lượng thấp nhất và mức năng lượng cao
hơn liền kề lần lượt đóng vai trò là 0 và 1.
Các mạch siêu dẫn hiện là một trong những công nghệ
chủ chốt đang được nghiên cứu để xây dựng máy tính lượng tử trong tương
lai.
-
Vì vậy, các nhà khoa học đoạt giải năm nay đã đóng
góp không chỉ vào các ứng dụng thực tiễn trong phòng thí nghiệm vật lý, mà
còn mang lại những hiểu biết mới cho việc phát triển lý thuyết về thế giới vật
lý của chúng ta.
-
🤔.
Suy ngẫm chậm
Khi
tham khảo thông tin về giải thưởng Nobel thuộc các lĩnh vực khoa học (Vật lý,
Hóa học, Y Sinh), tôi nhận thấy họ thường chia thành 2 loại thông tin: popular
information (thông tin phổ thông) và advanced information (thông tin
chuyên sâu).
Các
vấn đề khoa học đạt giải Nobel đều là các vấn đề khó. Vì vậy, việc biên tập và
trình bày một vấn đề khó trong khoa học cho đại chúng tiếp nhận (popular
information) rõ ràng là một thách thức không hề nhỏ. Tôi để ý thấy rằng tác
quyền (copyright) cả văn bản và hình ảnh đều ghi là thuộc Viện Hàn lâm
Khoa học Hoàng gia Thụy Điển (The Royal Swedish Academy of Sciences). Điều
đó chứng tỏ họ có một đội ngũ chuyên sâu và dành một nguồn lực đáng kể để biên
soạn các văn bản đó.
~~~
Chúc anh/chị đọc
vui nhã
LeVanLoi
Không có nhận xét nào:
Đăng nhận xét