Kỳ lạ: Nhét 170 nguyên tử vào bên trong một nguyên tử — Giải mã vật chất 'Rydberg Polaron'

Bạn có biết rằng nguyên tử thực chất là 'khoảng không' nhiều hơn là vật chất? Nhờ một thí nghiệm vật lý lượng tử đỉnh cao, các nhà khoa học đã chứng minh được rằng có thể nhét hơn 170 nguyên tử khác vào bên trong một nguyên tử 'siêu to khổng lồ' mà không hề vi phạm định luật vật lý. Kết quả tạo ra một trạng thái vật chất kỳ lạ gọi là Rydberg Polaron, hứa hẹn mang đến những hiểu biết đột phá về thế giới lượng tử.

Nguyên tử 'rỗng tuếch' đến mức nào?

Chúng ta thường nghĩ nguyên tử là một khối cầu đặc, nhưng thực tế thì ngược lại. Hạt nhân nguyên tử nằm ở trung tâm, nhỏ hơn hàng chục nghìn lần so với quỹ đạo của các electron bao quanh nó. Tỷ lệ này tương đương với việc so sánh một hạt cát với một sân bóng đá. Nói cách khác, phần lớn thể tích của nguyên tử chỉ là không gian trống.

Chính khoảng không này là nơi các nhà vật lý tìm cách 'tận dụng' để nhét thêm vật chất vào.

Mẹo tạo ra một nguyên tử 'khổng lồ'

Để có chỗ cho nhiều nguyên tử chui vào, trước tiên bạn cần một nguyên tử thật lớn. Cách làm là kích thích nguyên tử đó, khiến electron ở lớp ngoài cùng hấp thụ năng lượng và nhảy lên quỹ đạo xa hơn. Đây gọi là sự kích thích electron. Khi electron bay xa hơn, bán kính nguyên tử tăng vọt.

Những nguyên tử được kích thích tối đa này được gọi là nguyên tử Rydberg, đặt theo tên nhà vật lý Thụy Điển Johannes Rydberg. Trong phòng thí nghiệm, nguyên tử Rydberg có thể rộng gấp hơn 1000 lần nguyên tử bình thường, đủ rộng để làm 'ngôi nhà' cho hàng trăm nguyên tử nhỏ hơn.

Mô hình nguyên tử Rydberg Polaron

Vật chất 'siêu lạnh' — Chìa khóa của bài toán

Tuy nhiên, nếu các nguyên tử bên trong có quá nhiều năng lượng, chúng sẽ 'đá văng' electron kích thích. Vì vậy, chúng cần được làm lạnh đến mức gần như đứng yên.

Giải pháp đến từ trạng thái vật chất đặc biệt mang tên Bose-Einstein Condensate (BEC), nơi một nhóm nguyên tử được làm lạnh xuống dưới một phần triệu độ so với độ không tuyệt đối. Ở trạng thái này, các nguyên tử chuyển động chậm lại và cùng chia sẻ một trạng thái lượng tử duy nhất, giúp chúng 'kết dính' xung quanh nguyên tử Rydberg mà không gây nhiễu loạn.

Thí nghiệm năm 2018 và kết quả đáng kinh ngạc

Năm 2018, một nhóm nhà khoa học quốc tế đã tạo ra BEC từ nguyên tử strontium. Họ dùng tia laser tinh chỉnh cực kỳ chính xác để kích thích một nguyên tử, biến nó thành nguyên tử Rydberg. Những nguyên tử strontium lân cận bị cuốn vào quỹ đạo khổng lồ của electron, tạo thành một thứ giống như phân tử dị thường, gọi là Rydberg Polaron.

Mô phỏng máy tính từ nhóm nghiên cứu cho thấy có thể nhét tối đa 170 nguyên tử strontium vào bên trong "nguyên tử mẹ" này.

Ý nghĩa đối với tương lai khoa học

Hiện tại, Rydberg Polaron chưa có ứng dụng trực tiếp trong đời sống hàng ngày. Tuy nhiên, nghiên cứu này mở ra con đường quan sát các hiệu ứng lượng tử ở quy mô lớn hơn, giúp các nhà vật lý hiểu rõ hơn về cách vật chất tương tác ở cấp độ vi mô. Đây chính là nền tảng cho các công nghệ lượng tử tương lai như máy tính lượng tử hay truyền thông lượng tử.

"Đôi khi, chỉ cần làm sáng tỏ những bí ẩn của tự nhiên thôi cũng đã là một thành tựu xứng đáng."