Nobel vật lý 2016: Miền đất phẳng kỳ thú

Ba nhà khoa học David J. Thouless (ĐH Washington), F. Duncan M. Haldane (ĐH Princeton) và J. Michael Kosterlitz (ĐH Brown)

Thoạt tiên, giới chuyên môn và phần nào cả các nhà khoa học được trao giải có chút bất ngờ, vì dân trong ngành tiên đoán giải Nobel năm nay sẽ dành cho công trình tìm ra sóng hấp dẫn được công bố hồi đầu năm và gây tiếng vang lớn.

Tuy nhiên, nhìn từ góc độ chuyên môn thì giải thưởng năm nay hoàn toàn xứng đáng, vì tầm ảnh hưởng cả về lý thuyết và khả năng ứng dụng của công trình được trao giải. Trên thực tế, lĩnh vực mà các nhà khoa học được giải Nobel vật lý năm nay mở ra đã và đang trở thành một trong những lĩnh vực nghiên cứu sôi động nhất của ngành vật lý hiện thời.

Vật chất tồn tại dưới dạng nào?

Vật chất tồn tại ở ba thể rắn - lỏng - khí là thứ kiến thức phổ thông mà bất cứ học sinh nào cũng được yêu cầu phải thuộc nằm lòng.

Để cho dễ nhớ, các thầy cô thường lấy nước như một ví dụ minh họa, rằng: ở nhiệt độ cao thì nước ở thể hơi, nếu làm lạnh thì nước ngưng tụ thành thể lỏng, tiếp tục làm lạnh nữa thì nước chuyển thành thể rắn, tức nước đá mà ta dùng để giải nhiệt hằng ngày.

Bằng cách đó, kiến thức phổ thông rằng vật chất tồn tại ở ba dạng rắn - lỏng - khí đi vào đầu học sinh như một yêu cầu bắt buộc của môn vật lý phổ thông.

Sự chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác của vật chất, thuật ngữ chuyên môn của ngành vật lý gọi là sự chuyển pha. Như thế, ta sẽ có các dạng chuyển pha phổ biến là từ rắn sang lỏng, từ lỏng sang khí khi nhiệt độ thay đổi, như một sự tất yếu.

Chỉ khi học lên bậc đại học, sinh viên chuyên ngành khoa học tự nhiên mới được biết rằng vật chất còn tồn tại ở một dạng khác nữa, đó là dạng plasma khi nhiệt độ lên rất cao.

Ban đầu, kiến thức về dạng tồn tại thứ tư của vật chất này chỉ khu trú trong trường đại học, nhưng gần đây các tài liệu phổ biến khoa học đã bắt đầu nhắc đến dạng vật chất này, chủ yếu qua các bài viết hoặc sách phổ biến khoa học về vũ trụ ở thuở sơ khai, khi vũ trụ rất nóng và vật chất tồn tại ở dạng plasma, tương tự một nồi xúp của các ion mang điện, trước khi kết hợp lại thành vật chất ở dạng khí - lỏng - rắn khi nhiệt độ nguội đi như ta vẫn thấy.

Đến khi giải Nobel vật lý năm nay được công bố thì chúng ta được nghe nói đến một dạng chuyển pha khác ngoài sự chuyển pha của plasma - khí - lỏng - rắn mà chúng ta đã biết. Đó là sự tồn tại của các pha, kèm theo là chuyển pha tô-pô, được khám phá bởi các nhà khoa học được giải Nobel năm nay.

Miền đất phẳng kỳ thú

Giải thưởng năm nay dành cho các nghiên cứu về các trạng thái tồn tại đặc biệt, gọi là các pha, và sự chuyển đổi của các trạng thái này, gọi là sự chuyển pha, ở nhiệt độ rất thấp, rất gần độ không tuyệt đối, tức -273,15oC.

Trong quá trình chuyển pha đó, tính chất của vật chất thay đổi theo các bước nhảy cóc gián đoạn y như người nhảy lên từng bậc thang vậy. Những bước nhảy cóc này, và do đó là các tính chất này, có thể được mô tả chính xác khi sử dụng các khái niệm của ngành tô-pô (Topology), một phân ngành của toán học. Chính vì thế mà chúng được gọi là các pha tô-pô và chuyển pha tô-pô của vật liệu.

Vậy tô-pô là gì? Nếu bạn bằng lòng với câu trả lời rằng: Tô-pô nghiên cứu các hình thể mà ở đó hình dạng không quan trọng, chỉ có các bất biến, như số lỗ của các hình dạng mới quan trọng, thì bạn đã được trang bị ý niệm cơ bản nhất để đọc tiếp bài viết này.

Khi đó bạn sẽ thấy một chiếc cốc và một chiếc săm xe là giống hệt nhau vì đều có cùng một lỗ, bất kể hình dạng của nó khác nhau ra sao. Hiển nhiên, các hình thể khác nhau này có thể được đặc trưng bởi số lỗ mà nó có: 1 lỗ, hay 2 lỗ, hay 3 lỗ... (số lỗ của hình thể bao giờ cũng phải là một số nguyên).

Thoạt đầu, các tác giả được giải Nobel năm nay nghiên cứu các màng mỏng hai chiều, tức loại vật liệu ở dạng màng, chỉ có chiều dài và chiều rộng mà không có chiều dày, hoặc chiều dày không đáng kể.

Loại vật liệu như thế bộc lộ những tính chất mà vật liệu khối, tức vật liệu ba chiều không có được. Khi đi vào loại vật liệu hai chiều đó, các nhà vật lý như đi vào một miền đất mới, miền đất phẳng kỳ thú, với những tính chất mới lạ mà vật liệu thông thường không có được.

Cho đến thời điểm 1970-1980, phần lớn nhà khoa học tin rằng, với loại vật liệu hai chiều này, dao động nhiệt của các nguyên tử sẽ phá vỡ trật tự của lớp vật liệu.

Đó cũng là lý do vì sao những màng mỏng hai chiều tồn tại độc lập như graphene đã được cho là không thể tồn tại, cho đến khi được tìm ra năm 2004 và được trao giải Nobel vật lý năm 2010.

Vì tin rằng các màng mỏng hai chiều sẽ bị dao động nhiệt phá vỡ trật tự nguyên tử, nên các nhà khoa học tin rằng sẽ không có chuyển pha trong các vật liệu hai chiều này, vì từ xưa đến nay, chuyển pha bao giờ cũng đi kèm với việc phá vỡ một trật tự cũ và hình thành một trật tự mới.

Nên, nếu đã luôn tồn tại ở dạng không có trật tự thì sẽ chẳng thể nào có sự chuyển pha được. Nhận định này đã thay đổi dần từ những năm 1970 nhờ các nghiên cứu lý thuyết của các nhà khoa học được giải Nobel năm nay.

Bước nhảy lượng tử

Cũng trong khoảng thời gian đó, các thực nghiệm vật lý nhiệt độ thấp đã mang lại những khám phá thú vị. Năm 1980, Klaus von Klitzing nghiên cứu tính chất của lớp vật liệu dẫn điện siêu mỏng kẹp giữa hai lớp bán dẫn, ở nhiệt độ rất thấp, đặt trong từ trường mạnh.

Kết quả thực nghiệm cho thấy độ dẫn điện của lớp màng mỏng này không biến thiên liên tục dưới sự thay đổi của các thông số ngoài như nhiệt độ, từ trường, hoặc lượng tạp chất của lớp bán dẫn, mà nhảy cóc theo các bậc từ mức ban đầu, thành gấp đôi, gấp ba, gấp tư... như ta nhảy cóc từng bậc thang vậy.

Sự nhảy cóc từng bậc theo các gián đoạn của các tính chất vật lý là đặc trưng lượng tử của các hạt vi mô. Sự kiện này cho thấy lớp vật liệu màng mỏng này có một hiệu ứng lượng tử tập thể.

Vì đây là thực nghiệm đo đạc độ dẫn điện của vật liệu đặt trong từ trường, tương tự hiệu ứng Hall nổi tiếng trong ngành vật lý chất rắn, nên hiệu ứng mới được gọi là hiệu ứng Hall lượng tử. Nhờ tìm ra hiệu ứng Hall lượng tử này mà Klaus von Klitzing được trao giải Nobel vật lý năm 1985.

Rõ ràng, những tính chất kỳ lạ như sự nhảy cóc độ dẫn điện không quan sát được trong các điều kiện bình thường, và cũng không thể hiểu được bằng các lý thuyết đã có lúc đó. Những tính chất này bị che khuất đi trong điều kiện bình thường, nhưng khi ở nhiệt độ rất thấp, và đặc biệt khi kích thước vật liệu giảm xuống hai hoặc một chiều, thì lại bộc lộ rõ ràng, có thể quan sát được.

Lý do là ở nhiệt độ cực thấp đó, bản chất lượng tử của các hạt vi mô mới vượt qua ảnh hưởng của dao động nhiệt, có thể quan sát và đo đạc được. Chính những tính chất mới lạ này đòi hỏi những cách nhìn và giải thích mới về bản chất vật lý của hiện tượng. Và đó là nơi mà lý thuyết về các pha và chuyển pha tô-pô của vật liệu, tìm được đất dụng võ.

Có mình có tôi hay đường ai nấy đi?

Trở lại với các xoáy nhỏ ở phần trên, chúng ta thấy ở nhiệt độ thấp, các xoáy này tồn tại dưới dạng các cặp đôi chặt chẽ như thể "có mình có tôi" ở mọi lúc mọi nơi. Như khi nhiệt độ tăng lên, tức ở mức năng lượng cao hơn, các xoáy này rời xa nhau theo lối "đường ai nấy đi" dưới dạng các xoáy đơn không dính dáng gì đến nhau.

Việc chuyển từ xoáy đôi sang xoáy đơn là một bước nhảy có tính cách gián đoạn, tương tự các bước nhảy lượng tử quan sát được trong thực nghiệm về độ dẫn điện của màng mỏng.

Và nếu quan sát kỹ, ta sẽ thấy bước nhảy này đã chuyển trạng thái từ hai xoáy đôi sang một xoáy đơn mà không đi qua trạng thái trung gian, tức một xoáy rưỡi chẳng hạn.

Điều này gợi nhớ đến sự chuyển đổi hình dạng của các hình thể trong ngành tô-pô học, khi các hình thể nào đó chuyển từ dạng có 2 lỗ sang 1 lỗ mà không đi qua dạng trung gian có 1,5 lỗ.

Sự kiện các hình thể trong ngành tô-pô chỉ có số lỗ là số tự nhiên 1, 2, 3, 4, 5... có điều gì đó rất tương đồng với các bước nhảy lượng tử trong độ dẫn điện của một số loại vật liệu ở nhiệt độ thấp. Điều đó dẫn đến ý tưởng sử dụng các khái niệm của ngành tô-pô để xây dựng một lý thuyết vật lý hoàn toàn mới để mô tả những tính chất này.

Đó là công việc của ba nhà khoa học được giải Nobel Vật lý năm nay và của nhiều đồng nghiệp ngành vật lý chất rắn đã và đang làm trong suốt mấy chục năm qua, khi họ tập trung nghiên cứu các pha và sự chuyển pha có các đặc trưng tô-pô của vật liệu.

Đó chính là lý do vì sao ủy ban Nobel năm nay lại trao cho “những phát kiến lý thuyết về các pha và chuyển pha tô-pô của vật chất”, một cách nói rất khó hiểu đối với người ngoài ngành vật lý chất rắn.

Tiềm năng ứng dụng

Những thành tựu của ngành khoa học vật liệu bao giờ cũng gắn liền với các ứng dụng công nghệ. Điều này có thể được kiểm chứng qua việc nhìn lại chính lịch sử phát triển của loài người, khi thấy rằng chính sự ra đời của các loại vật liệu mới, với những tính chất hoàn toàn mới, là một trong những nguyên nhân chính để tạo ra sự phát triển đột phá của cả một thời đại.

Đó cũng là lý do mà các nhà lịch sử đã phân lịch sử thành thời kỳ đồ đá, đồ đồng, đồ sắt...

Thời đại của chúng ta tuy không được các nhà sử học nhắc đến như một sự phân loại theo tên của vật liệu, nhưng nếu tiếp nối truyền thống đó thì có thể được gọi tên là thời kỳ đồ... silicon, với hàm ý đây là loại vật liệu tạo ra phần lớn các thiết bị điện tử, bao gồm cả các máy tính bàn, máy tính bảng, điện thoại thông minh mà bạn đang dùng để đọc bài báo này.

Nhưng vật liệu silicon đang dần đi đến giới hạn của nó. Nếu không tìm ra các vật liệu mới ưu việt hơn, chúng ta sẽ không thể đi xa hơn bao nhiêu những gì chúng ta đang có.

Tốc độ của máy tính, dung lượng của ổ cứng... đều đang dần chạm đến giới hạn vật lý, vì kích thước của loại vật liệu sử dụng để tạo ra các thiết bị này đã được giảm xuống kích cỡ nano, rất gần với giới hạn không thể giảm hơn của vật liệu khối, do nếu giảm hơn nữa thì năng lượng nhiệt sẽ phá vỡ sự ổn định của chính vật liệu, và theo đó là của thiết bị chúng ta sử dụng.

Vì thế, để tạo ra một cuộc cách mạng mới trong công nghiệp, cần phải tìm ra các loại vật liệu mới, trong đó vật liệu có đặc trưng tô-pô mà giải Nobel năm nay vinh danh là một trong những ứng viên sáng giá.

Giới chuyên môn cho rằng các vật liệu tô-pô có tiềm năng lớn để trở thành vật liệu điện tử và siêu dẫn mới, dùng để tạo ra các thiết bị công nghệ mới, với đích nhắm bao gồm cả các máy tính lượng tử siêu mạnh, được vận hành với các quy luật vật lý khác hẳn với máy tính thông thường.■