Lần đầu tiên các nhà khoa học đã biến ánh sáng thành chất rắn: Bước đột phá trong vật lý lượng tử

Dimitrios Trypogeorgos , nhà khoa học từ Hội đồng Nghiên cứu Quốc gia Ý (CNR) đã không giấu nổi sự phấn khích khi tuyên bố: “Chúng tôi thực sự đã biến ánh sáng thành chất rắn. Thật tuyệt vời”. Thành công này được xây dựng dựa trên công trình trước đây của Danielle Sanvitto từ Viện Vật lý hạt nhân Quốc gia Ý, người đã chứng minh rằng ánh sáng có thể có tính chất tương tự chất lỏng. Tuy nhiên, Trypogeorgos , Sanvitto và các cộng sự của họ đã tiến xa hơn bằng cách tạo ra một trạng thái mới của vật chất mà họ gọi là "siêu rắn" lượng tử.

Siêu rắn là một dạng vật chất đặc biệt kết hợp cả hai đặc tính của chất rắn và chất lỏng siêu chảy. Nó có cấu trúc tinh thể giống như muối ăn nhưng lại không có độ nhớt, nghĩa là nó có thể chảy mà không gặp bất kỳ lực cản nào. Trước đây, trạng thái siêu rắn chỉ được tạo ra trong các thí nghiệm sử dụng các nguyên tử siêu lạnh, nơi các hiệu ứng lượng tử trở nên rõ ràng khi nhiệt độ giảm xuống gần độ không tuyệt đối. Tuy nhiên, trong nghiên cứu mới, nhóm khoa học đã sử dụng một cách tiếp cận hoàn toàn khác: thay vì làm lạnh nguyên tử, họ đã sử dụng một chất bán dẫn đặc biệt có tên nhôm gallium arsenide.

Thí nghiệm được tiến hành bằng cách chiếu một chùm laser vào một mô hình đặc biệt trên bề mặt chất bán dẫn. Kết quả là các photon ánh sáng đã tương tác với chất bán dẫn để tạo ra các hạt lai gọi là polaron. Những polaron này bị giới hạn trong các đường gờ hẹp trên bề mặt bán dẫn, điều này làm thay đổi cách chúng di chuyển và mức năng lượng của chúng. Cuối cùng, các polaron này hợp nhất lại, tạo thành trạng thái siêu rắn. Đây là lần đầu tiên trong lịch sử, ánh sáng được đưa vào trạng thái rắn theo cách này.

Dù đã đạt được thành công đáng kể, nhưng nhóm nghiên cứu vẫn phải đối mặt với một thách thức lớn: làm thế nào để đo lường chính xác các đặc tính của siêu rắn ánh sáng mới được tạo ra. Bởi vì đây là lần đầu tiên con người tạo ra một chất siêu rắn từ ánh sáng, không có dữ liệu thực nghiệm nào trước đây để so sánh. Do đó, việc xác minh xem liệu nó có thực sự thể hiện các đặc tính của cả chất lỏng không nhớt và chất rắn hay không đòi hỏi những phương pháp đo lường chính xác và tinh vi.

Alberto Bramati từ Đại học Sorbonne, Pháp, nhấn mạnh tầm quan trọng của nghiên cứu này đối với sự hiểu biết về các trạng thái vật chất lượng tử. Ông lưu ý rằng khám phá này có thể giúp các nhà khoa học hiểu sâu hơn về cách vật chất lượng tử thay đổi trạng thái thông qua quá trình chuyển pha. Dù vậy, Bramati cũng thừa nhận rằng cần có thêm các phép đo và phân tích bổ sung để có thể hiểu rõ hơn về bản chất của siêu rắn ánh sáng.

Trypogeorgos bày tỏ sự lạc quan về tương lai của lĩnh vực nghiên cứu này, cho rằng siêu rắn được tạo ra từ ánh sáng có thể dễ kiểm soát hơn so với siêu rắn dựa trên nguyên tử. Điều này có thể giúp các nhà khoa học khám phá thêm nhiều trạng thái vật chất kỳ lạ khác cũng như phát triển những ứng dụng thực tiễn trong công nghệ lượng tử.

Việc tạo ra một siêu rắn dựa trên ánh sáng đánh dấu một khởi đầu đầy hứa hẹn trong lĩnh vực vật lý lượng tử. Khi các nghiên cứu tiếp tục tiến xa hơn, các nhà khoa học kỳ vọng sẽ khám phá thêm những hiện tượng vật lý mới, cũng như ứng dụng chúng vào các công nghệ tiên tiến trong tương lai.

Biến ánh sáng thành trạng thái rắn không chỉ là một minh chứng tuyệt vời về khả năng của khoa học hiện đại mà còn mở ra một cánh cửa mới để hiểu về bản chất sâu sắc của vũ trụ. Nghiên cứu này không chỉ giúp nhân loại tiến gần hơn đến việc kiểm soát các trạng thái lượng tử của vật chất mà còn có thể tạo tiền đề cho những ứng dụng đột phá trong điện toán lượng tử, truyền thông lượng tử và nhiều lĩnh vực công nghệ cao khác.

Hiện tại, đây vẫn là một vùng đất mới trong khoa học vật lý, nhưng với những tiến bộ không ngừng, con người có thể sẽ sớm khai thác và ứng dụng những trạng thái lượng tử kỳ lạ này vào cuộc sống thực tiễn. Sự chuyển đổi ánh sáng thành siêu rắn là một bước tiến mang tính cách mạng, và có thể trong tương lai, nó sẽ là chìa khóa mở ra một kỷ nguyên mới của khoa học và công nghệ.