Đã phát hiện thấy đơn cực từ - “hạt cơ bản” mang từ tích được săn tìm hơn 80 năm qua

26/02/2014

Nhóm nghiên cứu của nhà vật lý David Hall tại trường Amherst, Massachusetts đã tạo ra và chụp được ảnh cực từ bắc cô lập – một đơn cực từ và như vậy tiên đoán của nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng Paul Dirac về sự tồn tại của đơn cực từ 83 năm về trước nay đã trở thành hiện thực.

doncuctu

Ảnh minh họa nghệ thuật cho đơn cực từ

Trong Vật lý, đơn cực từ hay từ tích là khái niệm trong từ học tương ứng với khái niệm đơn cực điện hay điện tích trong tĩnh điện học. Tuy nhiên, nếu như điện tích âm và điện tích dương có thể tồn tại tách riêng một cách độc lập thì ngược lại các cực từ, bắc và nam (từ tích dương và từ tích âm) lại luôn đồng hành, không thể tách rời nhau. Nếu cắt đôi một thanh nam châm thì mỗi nửa thanh mới cũng sẽ có cả hai cực chứ không phải tách ra được cực bắc trên nửa thanh này còn cực nam trên nửa thanh kia. Có thể tạm hình dung một đơn cực từ như một thanh nam châm nhưng chỉ có một cực, bắc hoặc nam. Năm 1931 nhà vật lý lý thuyết nổi tiếng Paul Dirac đã đưa ra giả thuyết tiên đoán về sự tồn tại của đơn cực từ (hay còn được gọi là đơn cực Dirac). Tuy nhiên, cho đến nay chưa có ai phát hiện ra hoặc tạo ra được đơn cực Dirac trong phòng thí nghiệm. Nếu đơn cực từ quả thật tồn tại thì đó sẽ là một phát hiện quan trọng, có ảnh hưởng sâu rộng đối với nghiên cứu, bởi nó không chỉ giải quyết vấn đề mất cân đối từ - điện nói trên, mà còn giải thích được tại sao điện tích luôn là bội số của điện tích điện tử.

Sau 83 năm săn lùng đơn cực từ không có kết quả, mới đây nhóm nghiên cứu của GS. David Hall tại trường Amherst, Massachusetts đã tạo ra, xác định và chụp được ảnh đơn cực từ tổng hợp ngay trong phòng thí nghiệm của GS. D. Hall trong khuôn viên của trường Amherst. Thành tựu mang tính đột phá này sẽ mở đường cho việc phát hiện các hạt trong tự nhiên và là sự phát triển mang tính cách mạng có thể sánh với việc phát hiện ra điện tử.

GS. David Hall (bên trái) và TS. Michael Ray

Kết quả nghiên cứu của nhóm đã được công bố trong bài: “Quan sát thấy đơn cực Dirac trong từ trường tổng hợp” (Observation of Dirac monopoles in a synthetic magnetic field) trên tạp chí Nature 505, pp.657–660 (2014) số ra ngày 30 tháng 1 năm 2014.

Nhóm nghiên cứu của Hall đã sử dụng một cách tiếp cận sáng tạo để nghiên cứu lý thuyết Dirac, tạo ra và xác định đơn cực Dirac tổng hợp trong từ trường nhân tạo được tạo bởi bể ngưng tụ Bose-Einstein của các nguyên tử ở nhiệt độ cực lạnh, chỉ khoảng vài chục phần tỷ độ trên độ không tuyệt đối. Để tạo ra mẫu đơn cực, nhóm đã dựa vào kết quả nghiên cứu lý thuyết do Möttönen và người học trò Ville Pietilä đã công bố trước đó, cho rằng việc thay đổi từ trường bên ngoài theo một trình tự đặc biệt có thể dẫn đến việc tạo ra các đơn cực tổng hợp. Với việc dùng từ trường ngoài như vậy, nhóm đã điều khiển được các spin trong bể ngưng tụ BEC để tạo ra xoáy (vortex) – giống hệt như là một xoáy nước, với đơn cực tại điểm cuối của nó.

doncuctu2
Sơ đồ biểu diễn quá trình tạo ra đơn cực từ

Trên hình, hướng các spin bị quay đảo theo từ trường ngoài (chấm đen) khi nó đi vào bể ngưng tụ từ phía trên (a), vào trong (b) và thoát ra khỏi bể ngưng tụ (c). Xem video mô phỏng quá trình tạo ra đơn cực từ tại: https://www.youtube.com/watch?v=HSDoIf5FY2s#t=37

Dưới đây là nguyên văn tóm tắt của bài báo đã được công bố trên tạp chí Nature 505, pp.657–660 (2014) số ra ngày 30 tháng 1 năm 2014:

Đơn cực từ là hạt cư xử như một cực từ bắc hoặc nam cô lập, là chủ đề nghiên cứu từ vài trăm năm trước kể từ lần đầu tiên quan sát thấy hiện tượng từ tính. Nhiều nghiên cứu lý thuyết và tìm kiếm thực nghiệm cho đến nay vẫn chưa thành công đã đi theo sự phát triển lý thuyết các đơn cực của Dirac vào năm 1931, phù hợp với cả cơ lượng tử lẫn bất biến gauge của trường điện từ. Sự tồn tại thậm chí của chỉ một đơn cực từ Dirac sẽ có hệ quả vật lý có ảnh hưởng sâu rộng, mà nổi tiếng nhất là giải thích được vấn đề lượng tử hóa điện tích. Mặc dù những dạng tương tự của đơn cực từ đã được tìm thấy trong băng spin lạ và trong các hệ khác, nhưng cho đến nay vẫn chưa quan sát được trực tiếp bằng thực nghiệm đơn cực Dirac trong môi trường lượng tử như heli-3 siêu chảy. Ở đây chúng tôi cho thấy có thể tạo ra được một cách có kiểm soát các đơn cực Dirac trong từ trường tổng hợp được tạo bởi bể ngưng tụ Bose–Einstein của các spin. Các đơn cực đã được xác định ở điểm cuối đường xoáy trong bể ngưng tụ trên cả thực nghiệm lẫn trong mô phỏng số tương ứng. Bằng cách ghi ảnh trực tiếp đường xoáy có thể thấy rõ thấy sự hiện diện của đơn cực qua các số liệu thực nghiệm. Những hình ảnh trong không gian thực này là bằng chứng thực nghiệm thuyết phục và trông đợi từ lâu về sự tồn tại của đơn cực Dirac. Kết quả của chúng tôi tạo ra cơ hội chưa từng có để quan sát và tác chế các đối tượng cơ lượng tử trong một môi trường có kiểm soát.

Nguyễn Hồng Quang, Trung tâm Thông tin – Tư liệu

Tài liệu tham khảo:
1. M. W. Ray, E. Ruokokoski, S. Kandel, M. Möttönen & D. S. Hall, Nature 505, 657–660 (2014), “Observation of Dirac monopoles in a synthetic magnetic field”; http://www.nature.com/nature/journal/v505/n7485/full/nature12954.html (dx.doi.org/10.1038/nature12954)
2. https://www.amherst.edu/aboutamherst/news/faculty/node/532493
3. http://www.huffingtonpost.com/2014/01/31/physicists-magnetic-monopole_n_4701766.html

Tags: