CON MÈO CHESHIRE TRONG CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

Cơ học lượng tử kì quặc đến mức mọi người thường sử dụng các phép ẩn dụ trong tác phẩm Alice ở xứ sở thần tiên để giải thích chúng. Giờ đây các nhà vật lý hạt đã có thêm một bước tiến nữa, họ đã thật sự tạo ra các hạt được xây dựng dựa theo con mèo Cheshire của nhà văn Lewis Carroll.

Lần đầu tiên quan sát được hiện tượng “con mèo Cheshire lượng tử” (Quantum Cheshire cat).

Chú mèo nổi tiếng thường hay từ từ biến mất và để lại nụ cười nhếch mép phía sau, điều này khiến cho Alice phải thốt lên “Ồ, tôi thường thấy một con mèo không có nụ cười nhếch mép thay vì một nụ cười nhếch mép mà lại không có con mèo! Đó là điều kì lạ nhất tôi từng thấy trên đời.” Trong số Nature Communication tuần này, một nhóm dẫn đầu bởi Tobias Denkmayr, một nghiên cứu sinh tại đại học công nghệ Vienna (Vienna University of Techbology) công bố một thứ mà ngay cả các nhà vật lý còn thấy kì lạ và hiếu kì hơn nữa, đó là sự thành công trong việc tách các tính chất vật lý ra khỏi các hạt sở hữu chúng.

Các hạt chúng ta nói tới trong trường hợp này là neutron. Tính chất được quan tâm là mômen từ, là thứ biểu hiện cho mức độ một vật chịu sự quay gây ra bởi một từ trường ngoài. Mặc dù theo như tên gọi của chúng, neutron không mang điện tích, chúng lại có mômen từ đo được bằng -0.97x10^-26 JT^-1, được sinh ra từ hai quark down và một quark up bên trong. Dấu trừ là biểu hiện cho sự ngược hướng của neutron đối với từ trường.

Trong vật lý cổ điển, chúng ta quen với ý tưởng rằng một tính chất như mômen từ không thể tách rời khỏi vật thể mang chúng, điều đó giống như mang hương vị ra khỏi thanh sô cô la để nó không có bất cứ mùi vị gì khi ta nếm, nhưng một mùi vị tách rời khỏi thanh vẫn có thể được đo một cách riêng biệt.

Tuy nhiên, mọi thứ lại rất khác biệt trong cái thế giới vô cùng bé. Trong những năm 1990, giáo sư Yakir Aharonov của đại học Tel Aviv đề xuất một số tính chất có thể tách rời khỏi hạt (được đề cập đến trong cuốn sách của ông mang tên Quantum Theory for Perplexed). Ý tưởng được đề xuất giống như thí nghiệm về con mèo tưởng tượng nổi tiếng của Schrodinger. Tuy nhiên thay vì xem xét về sự sống hay chết của con mèo, bạn có một con mèo mà không có thuộc tính của nó và ngược lại, thuộc tính mà không có con mèo. Do tính chất trên, việc đặt tên theo con mèo Cheshire của Carroll là một điều hiển nhiên.

Hình: con mèo tách ra khỏi nụ cười của nó rồi hợp lại

Ý tưởng về các hạt dựa theo con mèo Cheshire đã trở thành một đề tài có số lượng bài báo viết về nó ngày càng tăng trong vài năm qua, nhưng đa phần chỉ là về lý thuyết, cũng giống như việc không có ai bỏ con mèo vào hộp đựng nguồn phóng xạ (con mèo tưởng tượng của Schordinger), các bài báo chỉ đề cập đến những điều sẽ xảy ra nếu chúng ta làm như vậy.

Thí nghiệm của Denkmayr

Tuy nhiên Denkmayr và cộng sự của mình đã có thể tạm thời loại bỏ mômen từ ra khỏi neutron nhờ sử dụng một giao thoa kế. Họ dùng một tinh thể silic để tách chùm tia neutron và báo cáo. “ Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng hệ hành xử giống như là chùm neutron đi theo một đường, trong khi mômen từ của chúng đi theo đường khác.” Chùm tia sau đó được tái hợp và không chừa lại bất kì mômen từ nào trôi dạt ra vũ trụ.

Hình: thí nghiệm giao thoa của Denkmayr

Sự thiếu vắng của mômen từ ở neutron đã được kiểm chứng thông qua việc kiểm tra spin của chúng trong từ trường sử dụng khái niệm phép đo yếu (weak measurement) của Aharonov, phép đo này cho phép việc quan sát không gây ảnh hưởng lên hệ như trong các trường hợp lượng tử khác.

Tác giả cũng chú thích rằng “ việc nghiên cứu (hiện tượng) con mèo của Schrodinger giúp ích cho sự phát triển của nghành giao tiếp và xử lý thông tin lượng tử.” Họ đề xuất rằng công trình này có thể hữu dụng trong trường hợp mômen từ của hạt ảnh hưởng đến các tính chất khác cần được đo một cách chính xác của nó. Hiệu ứng con mèo Cheshire có thể dẫn đến một công nghệ cho phép chúng ta tách các mômen từ không mong muốn ra một  nơi mà nó không còn gây trở ngại các phép đo chính xác của các tính chất khác.

Dành cho bạn đọc 

Để hiểu rõ hơn về thế giới lượng tử, bạn đọc nên tìm hiểu thêm về thí nghiệm tưởng tượng "con mèo của Schordinger". Trong thí nghiệm này, Schordinger đã hình dung về cách mà tính chất của những đối tượng lượng tử nhỏ bé lại ảnh hưởng đến một đối tượng to lớn như con mèo.

Nguồn: IFLS

Bài báo gốc trên: Nature

 Biên dịch: Nguyễn Trí Toàn Phúc