"Các nguyên tử khổng lồ" nuốt các nguyên tử khác để tạo ra trạng thái vật chất mới

Trương Huỳnh Dũng

Như khoa học chứng minh, luôn có một khoảng không trống tương đối lớn bên trong một nguyên tử. Giờ đây, các nhà khoa học từ Áo và Hoa Kỳ đã lấp đầy một số khoảng trống đó, tạo ra một trạng thái vật chất mới dưới dạng "các nguyên tử khổng lồ" chứa đầy các nguyên tử khác.

Thông thường, có một khoảng trống giữa hạt nhân của một nguyên tử và các electron quay quanh nó. Khoảng cách của quỹ đạo đó phụ thuộc vào loại nguyên tử và ở độ rộng vài trăm nanomet, trong đó nguyên tử Rydberg được biệt danh là "nguyên tử khổng lồ". Nó lớn hơn một nghìn lần bán kính của một nguyên tử hydro, làm cho các nhà nghiên cứu tự hỏi liệu các nguyên tử khổng lồ này có thể "nhồi" được các nguyên tử nhỏ khác hay không.

Để thử nghiệm ý tưởng này, các nhà nghiên cứu từ TU Wien, Đại học Rice và Harvard bắt đầu bằng một chất cô đặc Bose-Einstein. Trạng thái kì lạ của vật chất này được hình thành khi các nguyên tử được làm lạnh hơn một chút, làm cho chúng di chuyển chậm lại và bắt đầu tụ lại với nhau, thể hiện hành vi di chuyển bất thường. Chất cô đặc Bose-Einstein gần đây đã giúp các nhà khoa học tạo ra các trạng thái vật chất kỳ lạ mới như chất siêu rắn, excitonium và chất lỏng với khối lượng âm.

Trong trường hợp này, điểm xuất phát là một đám mây nguyên tử stronti. Sau khi làm lạnh chúng thành chất ngưng tụ Bose-Einstein, nhóm nghiên cứu đã sử dụng laser để kích hoạt một trong các nguyên tử, đưa một electron trong nguyên tử vào trạng thái kích thích cao. Electron bị kích thích bắt đầu quay quanh hạt nhân ở một khoảng cách lớn hơn bình thường, tạo ra nguyên tử Rydberg.

Quỹ đạo của electron này trở nên quá lớn mà các nguyên tử stronti khác có thể dễ dàng lọt vừa trong nó. Nhóm nghiên cứu đã quan sát được tới 170 nguyên tử nằm trong một nguyên tử Rydberg, con số này có thể phụ thuộc vào bán kính của nguyên tử Rydberg và mật độ của Bose-Einstein.

Các nguyên tử tương tác với nhau, nhưng rất yếu. Điện từ của nguyên tử Rydberg phân tán rất nhỏ bởi các nguyên tử trung hòa trong đường đi của nó, nhưng vì electron quá chậm nên nó không chuyển thành trạng thái khác.

Đội nghiên cứu đã chạy một mô phỏng máy tính về sự tương tác này và thấy rằng tương tác yếu này làm giảm tổng năng lượng của hệ thống, tạo thành một liên kết giữa các nguyên tử khổng lồ và các hạt nhỏ hơn bên trong nó.

"Các nguyên tử không mang điện tích, do đó chúng chỉ gây ra một lực tối thiểu đối với electron", Shuhei Yoshida, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết. "Đây là một tình huống rất bất thường. Thông thường, chúng ta sẽ gặp các hạt nhân tích điện, các electron liên kết xung quanh chúng. Ở đây, chúng ta có các nguyên tử trung hòa liên kết".

Joachim Burgdörfer, đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: "Đối với chúng ta, trạng thái mới này là một khả năng thú vị để điều tra tính vật lý của nguyên tử cực lạnh. Bằng cách này, người ta có thể thăm dò các đặc tính của Bose-Einstein trên các quy mô rất nhỏ với độ chính xác rất cao".

Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Xem thêm:

Thứ Năm, 22/03/2018 09:26

3 ★ 1 👨 407