HIỆN TƯỢNG LẠ Ở LÃNH ĐỊA PHẲNG CỦA VẬT CHẤT

David Thouless, Duncan Halane và Michael Kosterlitz đã dùng những phương pháp toán học tiên tiến để giải thích hiện tượng lạ trong những pha (hay trạng thái) bất thường của vật chất như siêu dẫn, siêu lỏng hay màng mỏng từ. Kosterlitz và Thouless đã nghiên cứu những hiện tượng xảy ra trong những lớp cực mỏng có thể xem là hai chiều so với ba chiều (chiều dài, chiều rộng và chiều cao) ở thực tế thường được mô tả. Haldane cũng đã nghiên cứu vật chất có dạng như sợi chỉ mảnh đến mức có thể xem là một chiều.
Vật lý ở lãnh địa phẳng rất khác với vật lý mà chúng ta thường nhận biết trong thế giới quanh ta. Ngay cả khi vật chất gồm hàng triệu nguyên tử phân bố rất mỏng và ngay cả tính chất của mỗi nguyên tử có thể dùng cơ học lượng tử để giải thích được, các nguyên tử thể hiện những tính chất hoàn toàn khác khi nhiều nguyên tử đến cùng nhau. Hiện tượng tập thể mới được liên tục phát hiện ở những lãnh địa phẳng như vậy và vật lý các chất ngưng tụ bây giờ là một lĩnh vực sôi động nhất của vật lý. Việc sử dụng những khái niệm topo trong vật lý của ba nhà khoa học đoạt giải có tính chất quyết định đối với những phát minh. Topo học là một ngành của toán học mô tả những tính chất thay đổi kiểu từng nấc. Với topo học hiện đại như là công cụ, những người được giải năm nay đã tìm được những kết quả bất ngờ, đã mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới và dẫn đến sáng tạo ra những khái niệm mới và quan trọng trong một số phạm vi của vật lý.
Vật lý lượng tử trở nên nhìn thấy được khí lạnh
Khí lạnh thật sâu, mọi chất đều do những định luật
vật lý lượng tử thống trị. Khí, lỏng và rắn là những pha thông thường của các chất, ở đấy các hiệu ứng lượng tử thường bị chuyển động hỗn loạn của các nguyên tử che lấp nhưng khi cực lạnh (gần không tuyệt đối - 273 độ Celcius) các chất lại ở những pha lạ mới là hành xử theo những cách không ngờ. Vật lý lượng tử, chứ không gì khác là có thể’ làm việc ở thế giới kích cỡ vi mô, bỗng nhiên trở thành nhìn thấy được.  Thông thường các pha của các chất cũng chuyển đổi từ pha này sang pha khác khi nhiệt độ thay đổi. Thí dụ co sự chuyển pha khi nước đá gồm có những tinh thể rất trật tự được hơ nóng và tan thành nước, là một pha hỗn loạn hơn của nước. Khi chúng ta nhìn các chất ở lãnh địa phẳng còn ít được biết tới, chúng ta tìm thấy những pha của các chất còn chưa hoàn toàn được khám phá ra hết.
Những điều kỳ lạ có thể xảy ra khi lạnh. Thí dụ điện trở, không có gì khác hơn là sự chạm trán của tất cả các hạt chuyển động bỗng nhiên biến mất. Đây là trường hợp dòng điện chạy mà không có điện trở ở siêu dẫn, hay là khi trong chất siêu lỏng xoáy cứ quay mãi không bị chậm lại.
Người đầu tiên nghiên cứu có hệ thống siêu lỏng là người Nga Pyotr Kapitsa năm 1930. Ông làm lạnh helium-4 có ở trong không khí đến nhiệt độ -271 độ Celcius và cho chất lỏng đó trườn lên theo mặt bên của bình đựng. Nói cách khác chất lỏng đã hành xử một cách kỳ lạ như là một chất siêu lỏng mà độ nhớt hoàn toàn bị triệt tiêu. Kapitsa được giải Nobel năm 1978 và từ đó một số loại chất siêu lỏng đã được tìm ra ở phòng thí nghiệm. Siêu lỏng helium, màng mỏng siêu dẫn, lớp mỏng vật liệu từ và độ dẫn điện của sợi nanô dẫn điện là một vài pha mới trong nhiều pha mới của các chất hiện nay đang được nghiên cứu mạnh.
Các cặp xoáy đã cho lời giải
Các nhà nghiên cứu từ lâu tin rằng thăng giáng nhiệt phá hủy mọi trật tự của các chất ở lãnh địa phẳng hai chiều ngay cả ở nhiệt độ không tuyệt đối. Nêu không có pha trật tự thì không thể có chuyển pha.
Nhưng từ đầu những năm 1970, David Thouless và Michael Kosterlitz đã gặp nhau ở Birmingham, Anh và họ đã thách thức với lý thuyết thịnh hành thời đó. Họ đã cùng nhau nhắm bắt vấn đề chuyển pha ở lãnh địa phẳng (người đầu vì hiếu kỳ, người sau vì kém hiểu biết, chính họ đã nói như vậy). Kết quả của sự hợp tác này là hiểu biết về sự chuyển pha hoàn toàn mới, được xem như một trong phát minh quan trọng nhất trong lý thuyết về vật lý chất ngưng tụ. Người ta gọi đó là chuyển pha KT (chuyển pha Kosterlitz - Thouless) hay còn gọi là chuyển pha BKT với chữ B chỉ Vadim Berezinskii, nhà vật lý lý thuyết ở Matscơva nay đã mất, đã có những ý tưởng tương tự.
Chuyển pha topo không phải là chuyển pha thông thường như là giữa nước đá và nước. Vai trò chính trong chuyển pha topo là những xoáy nhỏ trong vật liệu phẳng. Ở nhiệt độ thấp chúng tạo ra thành những cặp kết chặt. Khi nhiệt độ tăng, chuyển pha xảy ra: các xoáy đột nhiên chuyển động xa nhau ra và tự mình lướt vào trong vật liệu. Điều kỳ diệu của lý thuyết này là có thể dùng cho nhiều loại vật liệu khác nhau ở thấp chiều - chuyển pha KT là phổ biến. Nó đã trở thành công cụ hữu ích, không phải chỉ áp dụng cho thế' giới của chất ngưng tụ mà còn có thể áp dụng cho những lĩnh vực khác của vật lý như vật lý nguyên tử hay cơ học thống kê. Lý thuyết ở đằng sau của chuyển pha KT cũng đã được phát triển bởi cả những người khởi xướng ra cũng như những người khác nữa và đã được khẳng định bằng thực nghiệm.
Những bước nhảy lượng tử huyền bí
Phát triển thực nghiệm thường dẫn đến một số trạng thái mới của vật chất đòi hỏi phải giải thích. Trong những năm 1980, cả David Thouless và Duncan Haldane trình bày công trình lý thuyết mới có tính đột phá cơ bản, thách thức với những lý thuyết đã có trước đây, một trong đó là lý thuyết cơ lượng tử để xác định thế nào là dẫn điện. Lý thuyết này đã được phát triển vào những năm 1930 và vài chục năm sau, lĩnh vực này của vật lý xem như đã được hiểu biết tốt.
Sau đó một điều rất ngạc nhiên là năm 1983, David Thouless chứng tỏ rằng bức tranh trước đây là chưa hoàn chỉnh ở nhiệt độ thấp và từ trường mạnh, cần một lý thuyết kiểu mới, ở đấy những khái niệm về topo có tính chất sống còn. Cũng quanh quanh đúng cùng thời kỳ này, Duncan Haldane cũng đi đến kết luận tương tự, một sự tương tự bất ngờ khi phân tích chuỗi nguyên tử từ. Công trình của hai nhà khoa học này trở thành công cụ trong những phát triển kỳ diệu kế tiếp sau đó về lý thuyết của những pha mới của các chất.
Hiện tượng kỳ lạ mà David Thouless mô tả bằng lý thuyết, dùng topo, là hiệu ứng Hall lượng tử. Hiệu ứng này được nhà vật lý Đức Klaus von Klitzing phát hiện vào năm 1980 và năm 1985 đã đoạt giải Nobel. Ông đã nghiên cứu một lớp mỏng dẫn điện giữa hai
bán dẫn, ở đấy điện tử được làm lạnh đến vài độ trên nhiệt độ tuyệt đối và đặt trong từ trường mạnh.
Trong vật lý, không có gì là không bất thường đối với những việc kỳ quặc xảy ra khi nhiệt độ hạ thấp, thí dụ nhiều chất trở nên có từ tính. Điều này xảy ra vì tất cả nam châm nguyên tử bé nhỏ trong các chất đó bỗng nhiên nhằm về cùng một hướng, tăng lên thành từ trường mạnh, có thể đo được.
Tuy nhiên, hiệu ứng Hall lượng tử là khó hiểu hơn; độ dẫn điện trong lớp thể hiện theo cách chỉ có thể có những giá trị riêng biệt, cực kỳ chính xác. Ở đây có cái gì đó bất thường trong vật lý. Các phép đo cho chính xác cùng kết quả ngay cả khi nhiệt độ, từ trường hay là tạp chất trong bán dẫn thay đổi. Khi từ trường thay đổi đủ mức, độ dẫn điện của lớp cũng thay đổi, nhưng chỉ thay đổi từng nấc; giảm cường độ từ làm cho độ dẫn điện đầu tiên là lớn lên gấp đôi, sau đấy gấp ba, gấp bốn và cứ thế tiếp tục. Những bậc nguyên này không thể giải thích được bằng vật lý thời đó, nhưng David Thouless tìm được lời giải cho điều bí hiểm đó bằng topo học.
Được giải đáp bằng topo học
Topo học mô tả những tính chất còn chưa ai đụng chạm đến khi một vật được kéo căng, xoắn hay biến dạng, nhưng chưa rời xa từng phần. Theo cách của topo thì quả cầu và cái chén là cùng phạm trù vì quả cầu đất sét lõm có thể biến đổi thành cái chén. Tuy nhiên cái bánh mỳ vòng có lỗ ở giữa và cốc cà phê có lỗ ở tay cầm thuộc hai phạm trù khác nhau, chúng cũng có thể làm mẫu lại để cái này có hình dạng của cái kia. Các vật topo có thể chứa một lỗ hay hai, hay ba hay bốn nhưng số lỗ này phải là số nguyên. Điều này trở thành có ích khi mô tả độ dẫn điện thấy có hiệu ứng Hall lượng tử, nó thay đổi từng nấc chính xác như là nhân với số nguyên.
Ở hiệu ứng Hall lượng tử, các điện tử chuyển động tương đối tự do trong lớp giữa các bán dẫn và tạo thành cái gọi là chất lỏng lượng tử topo. Cũng vậy khi nhiều hạt đến cùng nhau những tính chất mới thường xuất hiện, những điện tử trong chất lỏng lượng tử topo cũng thể’ hiện nhiều tính chất kỳ lạ. Đúng là không thể’ xác định phải chăng là có cái lỗ ở cốc cà phê bằng cách chỉ nhìn vào một phần nhỏ của cái cốc, không thể’ xác định phải chăng là đã tạo thành chất lỏng lượng tử topo nếu chỉ quan sát điều xảy ra ở một vài phần của chất lỏng. Tuy nhiên độ dẫn điện mô tả chuyển động của tập thể’ các điện tử và vì tính topo nó thay đổi từng nấc; đó là lượng tử hóa. Một đặc tính khác của chất lỏng lượng tử topo là biên giới của chúng có những tính chất bất thường. Những tính chất này được lý thuyết dự đoán và sau đó được thực nghiệm khẳng định.
Một dấu mốc khác đạt được năm 1988, khi Duncan Haldane phát hiện rằng chất lỏng ở hiệu ứng Hall lượng tử có thể tạo ra ở các lớp bán dẫn mỏng ngay khi không có từ trường. Ông nói rằng ông không bao giờ ước mơ mô hình lý thuyết của ông được thực hiện ở thực nghiệm, nhưng ngay gần đây, vào năm 2014, mô hình này tỏ ra đúng đắn trong thí nghiệm với các nguyên tử lạnh đến gần không độ tuyệt đối.
Chất topo mới ở trong đường ống
Trong công trình khá sớm, từ năm 1982, Duncan Haldane đã đưa ra dự đoán làm ngạc nhiên ngay cả đối với những chuyên gia ở lĩnh vực này. Trong nghiên cứu lý thuyết về chuỗi các nguyên tử từ có trong một số chất, ông đã phát hiện rằng các chuỗi có những tính chất khác cơ bản phụ thuộc vào tính chất của những nam châm nguyên tử. Ở vật lý lượng tử có hai loại nam châm nguyên tử, chẵn và lẻ. Haldane đã chứng minh rằng chuỗi gồm những nam châm nguyên tử chẵn là có tính topo còn chuỗi các nam châm nguyên tử lẻ thì không. Tương tự như chất lỏng lượng tử topo không có thể’ xác định chuỗi nguyên tử là topo hay không bằng cách nghiên cứu đơn giản chỉ vì một phần của nó. Và đúng như trong trường hợp chất lỏng lượng tử chính xác tính chất topo thể’ hiện ở biên của chúng. Ở đây, nghĩa là ở các đầu mút của chuỗi, vì tính chất lượng tử đã biết spin là một nửa ở cuối của chuỗi topo.
Thoạt đầu, không ai tin vào những lý luận của Haldane về các chuỗi nguyên tử; các nhà nghiên cứu tin rằng họ đã hiểu biết hoàn toàn về các chuỗi này. Nhưng họ đã thay đổi ngược lại khi Haldane đã phát hiện thí nghiệm đầu tiên về một loại chất topo kiểu mới, nay dùng là lĩnh vực sống động trong nghiên
cứu về vật lý chất ngưng tụ. Cả chất lỏng lượng tử Hall và chuỗi các nguyên tử từ đều được liệt kê vào trạng thái topo mới này. Về sau các nhà nghiên cứu đã phát hiện một số trạng thái topo không ngờ tới khác không chỉ là ở chuỗi và ở lớp có biên mỏng, mà còn ở cả vật chất ba chiều thông thường.
Chất cách điện topo, chất siêu dẫn topo và kim loại topo ngày nay đã được nói tới. Đấy là thí dụ về những lĩnh vực mà thập kỷ cuối cùng này đã xác định như là trên trận tuyến nghiên cứu của vật lý các chất ngưng tụ không chỉ vì hy vọng là các chất topo sẽ hữu ích cho những thế hệ mới về điện tử và siêu dẫn mà là trong cả máy tính lượng tử tương lai. Những nghiên cứu hiện nay đang làm sáng tỏ những bí mật của các chất ở lãnh địa phẳng quyến rũ mà các nhà khoa học đoạt giải Nobel năm nay đã phát hiện ra.