Siêu rắn - Dạng vật chất mới?

[vinhquang]

Các nhà khoa học Mỹ vừa tuyên bố đã tìm ra một dạng vật chất mới - siêu rắn. Nếu phát hiện này là chính xác, chất rắn có cấu trúc tinh thể này sẽ "chảy" như một dạng chất lỏng trơn nhất. Nói cách khác, nó giống như một chất lỏng không có độ nhớt.

Nhiều năm nay, khoa học đã biết đến dạng chất lỏng không có độ nhớt - chất siêu lỏng. Do không có độ nhớt, chúng có những "hành vi" rất kỳ lạ. Nếu được khuấy lên, chất siêu lỏng sẽ xoáy mãi mãi chứ không giảm dần rồi biến mất như chất lỏng bình thường. Cuối cùng, vòng xoáy sẽ "trèo" lên thành và tràn ra ngoài vật đựng.

Hai chất siêu lỏng đầu tiên được các nhà nghiên cứu tạo ra nhờ sử dụng heli-3 và heli-4. Cả 2 đều phải được làm nguội gần đến độ không tuyệt đối (-273oC) thì mới xuất hiện trạng thái siêu lỏng.

Eun-Seong Kim và Moses Chan, hai nhà khoa học thuộc ĐH bang Pennsylvania, tuyên bố họ đã làm cho heli-4 đông lại, tạo thành chất siêu rắn. Để thực hiện được điều này, họ đổ đầy heli vào các kênh thuỷ tinh xốp (gọi là Vycor), sau đó làm nguội lại và nén dưới áp lực lớn hơn 60 lần sức ép khí quyển, tạo thành chiếc đĩa thuỷ tinh chứa heli. Họ cho chiếc đĩa quay tròn. Khi đạt tới nhiệt độ 0,175oC trên độ không tuyệt đối, chiếc đĩa đột nhiên quay dễ dàng hơn - đúng như tính toán của nhóm nghiên cứu khi heli trở thành chất siêu rắn. Điều tương tự cũng xảy ra khi heli lỏng (chất siêu lỏng) được cho vào Vycor, bởi vì chất lỏng không nhớt dễ quay tròn hơn.

Bản thân heli rắn là một chất rất kỳ lạ. Ở nhiệt độ rất thấp, "hành vi" của nguyên tử heli do cơ học lượng từ quyết định. Vì thế, heli sẽ không thể đông được, bất kể lạnh đến mức nào, trừ phi bị nén tới ít nhất 25 lần sức ép khí quyển. Sản phẩm "chất rắn lượng từ" tạo ra sẽ rất lỏng lẻo - khác hẳn với hầu hết các loại chất rắn đông, nó có thể bị ép như cao su, còn hàng rào tinh thể nguyên tử của nó lại có rất nhiều khoảng trống di chuyển qua lại. Khi heli lỏng trở thành chất siêu lỏng, quy luật của cơ học lượng từ sẽ khiến cho nguyên tử di chuyển có hàng có lối, giống như bộ đội duyệt binh. Đây là lý do tại sao dòng chảy chất siêu lỏng khi đã được khởi động rất khó dừng lại.

Trong heli siêu rắn, tất cả mọi khoảng trống trên hàng rào tinh thể cũng di chuyển mạch lạc, cho phép sóng xuyên qua hàng rào. Sự chuyển động mạch lạc này được gọi là quá trình đông đặc Bose-Einstein. Trong chất siêu dẫn, quá trình đông đặc của electron ở nhiệt độ thấp cho phép dòng điện di chuyển mà không gặp bất cứ điện trở nào. Kể từ năm 1995, giới khoa học đã biết tới quá trình đông đặc Bose-Einstein của nguyên tử trong một số loại khí gas siêu lạnh.