Hạt mới vừa là vật chất vừa là phản vật chất

Kể từ thập niên 1930, các nhà khoa học đã và đang sốt sắng tìm kiếm các hạt đồng thời là vật chất và phản vật chất. Nay các nhà vật lí vừa tìm thấy bằng chứng có sức thuyết phục cho một thực thể như thế bên trong một vật liệu siêu dẫn. Thực thể này có thể là tiêu biểu đầu tiên cho cái gọi là hạt Majorana, và có thể giúp các nhà nghiên cứu mã hóa thông tin cho các máy tính lượng tử.

Các nhà vật lí nghĩ rằng mỗi hạt vật chất có một đối tác phản hạt với khối lượng bằng nó nhưng điện tích thì trái dấu. Khi vật chất gặp gỡ tương đương phản vật chất của nó, hai hạt hủy lẫn nhau. Nhưng một số hạt có thể là các đối tác phản hạt của chính chúng, theo một dự đoán hồi năm 1937 của nhà vật lí người Italy Ettore Majorana. Lần đầu tiên các nhà nghiên cứu cho biết họ đã chụp được ảnh của một trong những hạt Majorana này, và báo cáo kết quả của họ trên tạp chí Science số ngày 3/10/2014.

Hạt Majorana mới biểu hiện bên trong một chất siêu dẫn, một vật liệu trong đó chuyển động tự do của các electron cho phép dòng điện chạy không điện trở. Đội nghiên cứu, đứng đầu bởi Ali Yazdani thuộc trường Đại học New Jersey ở Mĩ, đã đặt một chuỗi dài các nguyên tử sắt, tức là chất từ tính, lên trên một chất siêu dẫn làm bằng chì. Thông thường thì từ tính làm hỏng các chất siêu dẫn, tùy thuộc vào tình trạng thiếu từ trường để các electron của chúng chạy không bị cản trở. Nhưng trong trường hợp này, chuỗi từ biến thành một loại chất siêu dẫn đặc biệt trong đó các electron liền kề nhau trong chuỗi phối hợp spin của chúng để thỏa mãn đồng thời yêu cầu của từ trường và sự siêu dẫn. Mỗi một cặp này có thể xem là một electron và một phản electron, tương ứng với điện tích âm và dương. Tuy nhiên, sắp xếp đó để lại một electron tại mỗi đầu chuỗi không có láng giềng để ghép cặp, làm cho chúng có các tính chất của electron lẫn phản electron – hay nói cách khác, chúng chính là các hạt Majorana.

Đối nghịch với các hạt được tìm thấy trong chân không, vốn không gắn liền với vật chất khác, các hạt Majorana này là cái được gọi là hạt ló. Chúng ló ra từ các tính chất tập thể của vật chất xung quanh và không thể tồn tại bên ngoài chất siêu dẫn.

Ảnh chụp hiển vi quét chui hầm cho thấy một chuỗi nguyên tử sắt. Khung ảnh nhỏ trình bày xác suất mà các giả hạt Majorana cư trú trong phần đó của chuỗi. Thùy màu đỏ sậm ở đầu trên cho biết xác suất cao tại đầu đó. Ảnh: Yazdani Lab, Đại học Princeton

Nghiên cứu mới trình bày một dấu hiệu có sức thuyết phục của các hạt Majorana, theo lời nhà nghiên cứu Leo Kouwenhoven thuộc trường Đại học Công nghệ Delft ở Hà Lan, người không có liên quan trong nghiên cứu trên nhưng trước đây đã từng tìm thấy các dấu hiệu của hạt Majorana trong một sắp xếp chất siêu dẫn khác. “Nhưng để khẳng định là bằng chứng đầy đủ, rõ ràng, thì tôi nghĩ anh phải làm thử nghiệm ADN cái đã.” Một thử nghiệm như thế, theo ông, phải cho thấy các hạt không tuân theo các định luật bình thường của hai họ hạt đã biết trong tự nhiên – tức họ fermion (proton, electron và đa số các hạt khác mà chúng ta quen thuộc) và họ boson (photon và các hạt mang lực khác, trong đó có boson Higgs). “Cái hay ở các hạt Majorana là chúng có khả năng là một họ hạt mới,” Kouwenhoven nói. “Nếu bạn tìm thấy một họ hạt mới, thì như thế sẽ là bổ sung thêm một chương mới vào giáo trình vật lí học.”

Nhà vật lí Jason Alicea thuộc Viện Công nghệ California ở Pasadena, Mĩ, người cũng không có tham gia nghiên cứu trên, cho biết nghiên cứu nghiên cứu trên mang lại “bằng chứng thuyết phục” cho các hạt Majorana nhưng “chúng ta nên nhớ rằng còn có những lí giải thay thế khác nữa – cho dù trước mắt chưa có ứng cử viên rõ ràng nào hết.” Ông đánh giá cao bố trí thí nghiệm trên ở khả năng của nó dễ dàng tạo ra các hạt Majorana vốn hay lẫn tránh. “Một trong những ưu điểm của bố trí của họ so với các nghiên cứu trước đây là nó cho phép các nhà nghiên cứu áp dụng một loại kính hiển vi mới để khảo sát giải phẫu chi tiết cơ sở vật lí bên trong.”

Khám phá trên có thể có các gợi ý để tìm kiếm các hạt Majorana tự do bên ngoài vật liệu siêu dẫn. Nhiều nhà vật lí nghi ngờ các neutrino – những hạt rất nhẹ với khả năng biến hình, hay đổi mùi, kì lạ của chúng – là các hạt Majorana, và các thí nghiệm vẫn đang được triển khai để nghiên cứu xem có phải như vậy không. Giờ thì chúng ta biết các hạt Majorana có thể tồn tại bên trong các chất siêu dẫn, sẽ chẳng có gì bất ngờ nếu người ta tìm thấy chúng trong tự nhiên, Yazdani nói. “Một khi bạn tìm thấy nguyên lí là đúng, thì rất có khả năng nó sẽ làm hiện ra một phân lớp khác nữa của nền vật lí học. Đó là cái thật sự thú vị.”

Kết quả trên cũng có thể hữu ích cho việc xây dựng các máy tính lượng tử khai thác định luật cơ học lượng tử để tiến hành các phép tính nhanh gấp nhiều lần so với các máy tính thông thường. Một trong những trở ngại chính trong việc xây dựng máy tính lượng tử là tính nhạy của các tính chất lượng tử ví dụ như sự vướng víu (một liên hệ giữa hai hạt sao cho một tác dụng lên hạt này ảnh hưởng đến hạt kia) bị suy sụp do sự nhiễu từ bên ngoài. Một chuỗi hạt với hai đầu là hạt Majorana sẽ phần nào giải quyết được hiểm họa này, vì phải phá hỏng cả hai đầu đồng thời thì mới phá hỏng bất kì thông tin nào được mã hóa ở đó. “Bạn có thể xây dựng một bit lượng tử dựa trên những hạt Majorana này,” Yazdani nói. “Trên lí thuyết thì một bit như vậy sẽ ổn định trong môi trường hơn so với các loại bit mà người ta đã thử làm trước đây.”

Nguồn: doi:10.1038/nature.2014.16074