6.10 Ngưng tụ Bose–Einstein và siêu chảy

Trang chủ ／ Chương 6: Miền lượng tử

I. Hiện tượng và điều gây bối rối

Khi một tập hợp hạt tuân theo thống kê boson được làm lạnh xuống nhiệt độ cực thấp, chúng ngừng hành xử độc lập và cùng chiếm một trạng thái lượng tử duy nhất. Toàn bộ hệ biến thiên đồng pha như một “tấm thảm pha” phẳng phiu. Dấu hiệu thực nghiệm gồm: hai đám nguyên tử siêu lạnh, dù chuẩn bị độc lập, khi được giải phóng cùng lúc sẽ tạo ra vân giao thoa rõ ràng; trong một ống vòng, chất lỏng có thể chảy không cản trong thời gian dài; khi khuấy rất chậm gần như không có độ nhớt, nhưng vượt qua một ngưỡng nhất định thì đột ngột xuất hiện các xoáy lượng tử. Đó là những diện mạo kinh điển của ngưng tụ Bose–Einstein và dòng siêu chảy.

Điều gây bối rối là: vì sao chỉ cần đủ lạnh, chất lỏng lại trượt gần như không ma sát; vì sao tốc độ dòng không liên tục mà xuất hiện theo bậc thang lượng tử; và vì sao trong cùng một vật liệu lại có vẻ đồng thời tồn tại “thành phần thường” và “thành phần siêu chảy”.

II. Lý thuyết Sợi Năng Lượng (EFT): khóa pha, đóng kênh và khuyết tật lượng tử hóa

Trong Lý thuyết Sợi Năng Lượng (EFT), các cấu trúc bền vững như nguyên tử hoặc cặp electron được hình thành bởi những sợi năng lượng quấn lại. Lớp ngoài của chúng ghép nối với biển năng lượng, còn phần trong duy trì nhịp riêng tự hỗ trợ. Khi spin tổng của các cấu trúc này là số nguyên, chuyển động tập thể của chúng tuân theo quy tắc boson và có khả năng chồng chập pha một cách tương hợp. Khi hạ nhiệt đủ thấp, xảy ra ba hiệu ứng chủ chốt:

• Khóa pha: trải “tấm thảm chảy”.
  Nhiệt độ thấp làm suy giảm nhiễu nền dạng tensor trong biển năng lượng, nên ít nhiễu động phá pha hơn. Các đối tượng lân cận dễ dàng căn chỉnh pha lớp ngoài, tạo thành một mạng pha xuyên suốt mẫu vật. Theo ngôn ngữ của Lý thuyết Sợi Năng Lượng, nhiều “nhịp vi mô” địa phương được hàn lại thành một tấm thảm pha liên tục. Một khi đã trải, chi phí năng lượng cho chuyển động tập thể giảm mạnh và dòng chảy diễn ra trong “hành lang” trơn nhất của biển năng lượng.
• Đóng kênh: độ nhớt nhỏ đi.
  Độ nhớt thông thường phát sinh khi năng lượng rò rỉ ra môi trường qua những nếp nhăn và gợn sóng vi mô. Khi tấm thảm pha đã hình thành, các kênh thất thoát này bị trật tự tập thể đè nén: mọi nhiễu động đe dọa sự tương hợp đều bị tấm thảm đẩy lùi hoặc bị cấm xuất hiện. Kết quả là gần như không ma sát ở mức kích thích thấp. Khi tiếp tục tăng cắt trượt hay tốc độ, tấm thảm khó giữ nguyên khối và sẽ phải mở các con đường tán năng mới.
• Khuyết tật lượng tử hóa: hình thành xoáy.
  Tấm thảm không thể vặn xoắn liên tục qua mọi góc. Khi bị ép đủ mạnh, nó “nhượng bộ” bằng các khuyết tật tô-pô. Khuyết tật điển hình là xoáy lượng tử: lõi trung tâm giống một “lõi sợi rỗng” có điện trở thấp của tensor, còn pha xung quanh quấn tròn một, hai, ba… vòng nguyên. Số nguyên là hệ quả của tính đóng kín, tương tự đếm vòng khi bàn về electron và proton. Sự sinh và hủy xoáy trở thành con đường chính tạo hao tán khi siêu chảy bị dẫn động mạnh.
• Nguồn gốc hai thành phần cùng tồn tại.
  Ở nhiệt độ trên không độ tuyệt đối, vẫn có một phần đối tượng không khóa được pha. Chúng trao đổi năng lượng với môi trường như phân tử thông thường và tạo thành thành phần thường, còn tấm thảm pha chính là thành phần siêu chảy. Tự nhiên ta thu được mô hình “hai chất lỏng”: một phần chịu trách nhiệm cho dòng gần như không tổn hao, phần kia mang nhiệt và độ nhớt. Nhiệt độ càng thấp, tấm thảm phủ càng rộng và tỷ phần siêu chảy càng lớn.

Một ranh giới khái niệm cần nêu rõ: Lý thuyết Sợi Năng Lượng xem các boson chuẩn (ví dụ photon, gluon) là các gói sóng truyền trong biển năng lượng, còn ngưng tụ nguyên tử liên quan đến đồng bộ pha lớp ngoài của các thể quấn bền vững. Cả hai đều thuộc phạm vi “thống kê boson”, nhưng “vật liệu” khác nhau: nhóm thứ nhất là bao gợn nếp, nhóm thứ hai là cấu trúc bền có bậc tự do lớp ngoài chung. Trong phần này, “ngưng tụ” nói về nhóm thứ hai.

III. Bối cảnh tiêu biểu: từ heli đến nguyên tử lạnh

• Heli siêu chảy.
  Helium-4 cho thấy hiệu ứng đài phun, bám tường gần như không ma sát, và mạng xoáy lượng tử dưới quay. Theo Lý thuyết Sợi Năng Lượng, tấm thảm pha phủ kín thể tích chất lỏng; dưới kích thích nhẹ, nó không mở kênh thất thoát vào biển năng lượng cho đến khi buộc phải mở các kênh xoáy.
• Ngưng tụ nguyên tử loãng siêu lạnh.
  Đám nguyên tử kiềm loãng, được làm lạnh và bẫy quang-từ, có thể ngưng tụ; khi thả ra, hai ngưng tụ độc lập chồng lên nhau sẽ tạo vân giao thoa. Trong cách nhìn của Lý thuyết Sợi Năng Lượng, mép của hai tấm thảm ghép pha; các vân là “hoa văn căn pha”, không phải dấu vết va chạm giữa từng nguyên tử riêng lẻ.
• Bẫy vòng và dòng bền lâu.
  Đặt ngưng tụ trong một kênh vòng cho phép hình thành dòng vòng sống rất lâu. Lý thuyết Sợi Năng Lượng diễn giải đây là tấm thảm kín có số quấn bị khóa. Chỉ khi lực dẫn động vượt ngưỡng tạo xoáy, hệ mới “nhảy” sang bậc nguyên khác.
• Vận tốc tới hạn và vật cản.
  Kéo một vật cản nhỏ—chẳng hạn một “thìa” ánh sáng—qua ngưng tụ: ở tốc độ thấp không tạo đuôi, ở tốc độ cao bỗng xuất hiện phố xoáy và tăng hao tán. Theo Lý thuyết Sợi Năng Lượng: kích thích thấp thì kênh đóng, kích thích cao làm vỡ cục bộ tấm thảm, phóng ra chuỗi khuyết tật và tản năng.
• Màng hai chiều và cặp xoáy.
  Ở giới hạn hai chiều, xoáy và phản xoáy bị ràng buộc thành cặp. Khi nhiệt tăng đến một mức đặc trưng, các cặp tách ra và tương hợp sụp đổ. Lý thuyết Sợi Năng Lượng xem đây là tấm thảm chỉ chấp nhận khuyết tật có cặp trong 2D; một khi cặp bị “bẻ”, mạng pha tan rã.

IV. Dấu vân có thể quan sát

• Giao thoa:
  Hai ngưng tụ chồng lên nhau tạo vân ổn định; vị trí vân tịnh tiến theo chênh lệch pha tổng thể.
• Dòng gần như không nhớt ở kích thích thấp:
  Chênh áp khó tích lũy; quan hệ giữa áp và lưu lượng gần như không tổn hao.
• Mạng xoáy lượng tử:
  Khi quay hoặc khuấy mạnh, lõi xoáy xuất hiện theo mạng; số lượng tỉ lệ với tốc độ quay, kích thước lõi có thang đặc trưng.
• Bật ngưỡng:
  Vượt qua vận tốc nhất định, hao tán và phát nhiệt tăng vọt.
• Vận chuyển hai thành phần:
  Dòng nhiệt và dòng khối có thể tách rời; xuất hiện một mode giống “âm thứ hai” mang entropy.

V. Đối chiếu với mô tả dòng chính

Mô tả dòng chính dùng hàm sóng vĩ mô hoặc tham số trật tự để biểu diễn tấm thảm; tốc độ dòng xác định bởi gradient pha. Ở kích thích thấp không có hạt kích thích khả dĩ để mang năng lượng đi, nên không có hao tán; vận tốc tới hạn bị chi phối bởi khả năng phát sinh xoáy và phonon.

Lý thuyết Sợi Năng Lượng đưa đến cùng hiện tượng khả kiến và cùng xu thế định lượng, nhưng đặt chúng trong một bức tranh “có vật liệu” hơn. Khi nhiễu tensor nền của biển năng lượng bị hạ thấp, các thể quấn bền vững khóa pha lớp ngoài thành một mạng tương hợp. Ở kích thích thấp, các kênh thất thoát vẫn đóng; chỉ khi kích thích mạnh, các kênh mới mở thông qua khuyết tật lượng tử hóa. Hai ngôn ngữ thống nhất về cái nhìn thực nghiệm và cách nó tỉ lệ, nhưng khác hệ quy chiếu: mô tả dòng chính nhấn mạnh hình học và sóng, còn Lý thuyết Sợi Năng Lượng nhấn mạnh tổ chức của sợi và biển.

VI. Tóm lại

Ngưng tụ Bose–Einstein và siêu chảy không phải “độ lạnh kỳ bí” mà là khóa pha xuyên nhiều thang để dệt nên một tấm thảm liên tục. Tấm thảm ấy dẫn chất lỏng đi trong những “hành lang” trơn nhất của biển năng lượng, giữ cho các kênh thất thoát đóng khi kích thích thấp. Khi lực tác động quá mạnh, tấm thảm nhượng bộ bằng các xoáy lượng tử—những khuyết tật tô-pô mở đường cho năng lượng tản đi.

Một câu ngắn gọn: khóa pha để dệt thảm, kênh đóng sinh siêu chảy; đẩy mạnh sẽ ép lộ khuyết tật, và hao tán bước vào.