Vien vat ly y sinh

Nghiên cứu khoa học

Trao giải Nobel Vật-lý 2016


 Trao giải Nobel Vật lý 2016 - Phát hiện lý thuyết về các chuyển pha topo và các pha topo của vật-chất

Ảnh minh họa Topo

          Năm nay Giải Nobel về Vật-lý đã được trao cho ba nhà Vật-lý đều là người gốc Anh và đều đang làm-việc ở Mỹ:

David J. Thouless, sinh 1934 tại Bearsden (Anh), hiện là Emeritus Professor ở University of Washington, Seattle (Mỹ)

F. Duncan M. Haldane, sinh 1951 tại London (Anh), hiện là Eugene Higgins Professor of Physics ở Princeton University, NJ (Mỹ)

J. Michael Kosterlitz, sinh 1942 tại Aberdeen (Anh), hiện là Harrison E. Farnsworth Professor ở Brown University, Providence (Mỹ)

             

                                                          Ảnh (từ trái qua phải):

                                 Duncan Haldane , David Thouless, và Michael Kosterlit

          Việc Thouless, Haldane, và Kosterlitz (THK) dành giải Nobel Vật-lý 2016 đã làm không ít người ngạc-nhiên. Nguyên do của sự ngạc-nhiên có-thể là (1) rất nhiều người kỳ-vọng (thậm chí tin-chắc) rằng, Nobel vật-lý năm nay sẽ được trao cho phát-hiện trực-tiếp sóng hấp-dẫn của LIGO và (2) không nhiều người biết về các công-trình được trao Nobel của THK cũng như tầm ảnh-hưởng to lớn của chúng.

          Theo thông-báo chính-thức của Ủy-ban Nobel, THK được trao giải “for theoretical discoveries of topological phase transitions and topological phases of matter” (vì các phát-hiện lý-thuyết về các chuyển pha topo và các pha topo của vật-chất). Như-vậy, hai nội-dung chính của các công-trình Nobel 2016 là các chuyển pha (mới) và các pha (mới) của vật-chất. Tính-từ ‘topological’ gắn với cả hai nội-dung này không chỉ nói lên tên của chúng (chuyển pha topo, pha topo của vật-chất) mà còn cho biết phương-pháp nghiên-cứu lý-thuyết mà THK đã sử-dụng trong các công-trình Nobel của mình – đó là topo, một nhánh rất đẹp của Toán học. Riêng việc áp-dụng thành-công topo vào nghiên-cứu các tính-chất electronic của vật-chất ngưng-đọng (condensed matter) đã là một bất-ngờ lớn. Trong lễ công-bố giải-thưởng, Thors Hans Hansson, thành-viên của Ủy-ban Nobel nói rằng, cụm công-trình này “đã kết-hợp toán-học kiều-diễm với những hiểu-biết vật-lý sâu-sắc, và đã thành-công với những kết-quả bất-ngờ, đã được thực-nghiệm kiểm-chứng”.

           Năm 1972 Kosterlitz và Thouless đã chứng-minh rằng, trong các hệ có-thể mô-tả bằng mô-hình XY (mô-hình spin vec-tơ hai chiều – XY-model), như các phim granular siêu-dẫn mất trật-tự, các phim Helium siêu-chảy, hay mạng các chuyển-tiếp Josephson, có-thể xảy-ra một chuyển pha (mới), từ pha mất trật-tự với hàm tương-quan giảm e-mũ theo khoảng-cách ở nhiệt-độ cao sang pha gần trật-tự với hàm tương-quan giảm lũy-thừa theo khoảng-cách ở nhiệt độ thấp. Trong “từ-điển vật-lý” người-ta gọi chuyển-pha này là Chuyển pha Kosterlitz-Thouless (KT-phase transition), hay (thường gặp hơn) Chuyển pha Berezinshii-Kosterlitz-Thouless (BKT-phase transition) để tính đến đóng-góp năm 1970 của nhà vật-lý Nga, Vadim Berezinskii, cho cùng chủ-đề. Lưu-ý rằng, theo lý-thuyết chuyển pha Landau thì trong các hệ mà KT khảo-sát không thể có chuyển pha bậc hai (second order phase transitions – trong các tài-liệu tiếng Việt thường dùng từ ‘loại’ hai. Thực-ra, chữ ‘order’ liên-quan với bậc của đạo-hàm, nên từ ‘bậc’ chính-xác hơn). Cái ‘bất ngờ’ ở đây là, khác cơ-bản với các chuyển pha kinh điển, chuyển pha BKT xảy-ra mà không kèm-theo bất-kỳ một phá-vỡ đối-xứng tự-phát nào. Nó là một chuyển pha bậc vô-hạn. Tiên-đoán chuyển-pha topo của BKT sau đó đã được thực-nghiệm khẳng-định trong nhiều hệ khác-nhau, như He-4 siêu chảy(1978), hay phim mỏng siêu dẫn (1981) .

          Mười năm sau, 1982, Thouless lại mang topo đến với Hiệu-ứng Hall lượng-tử nguyên (Integer Quantum Hall Effect – IQHE) – phát-hiện thực-nghiệm tầm-cỡ thế-kỷ và là chủ-đề cực nóng ở thời điểm đó (Nobel vật-lý 1985). Điều kỳ-bí là, ở chế-độ Hall lượng-tử, trong khi phần bên trong của mẫu hai chiều là điện-môi thì các trạng-thái kim-loại lại xuất-hiện ở hai ngưỡng (edges) trên và dưới của mẫu (edge states). Chính các trạng-thái này mang dòng chạy định hướng dọc hai ngưỡng theo hai chiều ngược  nhau. Hơn-nữa, chúng còn được “bảo-vệ” để dòng chạy trên các ngưỡng không bị tiêu tán, kể cả khi gặp các tâm tạp (nên coi như không bị cản-trở). Kết-quả là, Hall conductance bị lượng-tử hóa đẹp đến mức, khi từ trường thay-đổi nó thay-đổi nhẩy bậc và chỉ nhận chính-xác các giá-trị nguyên (trong đơn-vị e^2/h). Thật bất-ngờ khi Thouless đồng-nhất Hall conductance như một bất-biến topo (topological invariance) – một tham-số trật-tự được dùng để phân lớp các đối-tượng hình-học. Chẳng-hạn, các bề-mặt hai chiều được phân lớp theo số lỗ mà chúng có. Mặt cầu là cùng lớp với mặt ellipsoid vì hai mặt này có-thể biến-dạng trơn-tru sang nhau mà không tạo ra một lỗ nào. Ví-dụ truyền-thống khác: cái cốc ta vẫn dùng uống cà-phê và chiếc bánh vòng là tương-đương về mặt topo vì chúng đều chỉ có một lỗ. Ở đây, số lỗ là một bất-biến topo. Trong phân lớp topo người-ta đã bỏ-qua những chi-tiết nhỏ và chỉ tập-trung vào khác-biệt cơ-bản về hình-dạng. Trong vật-lý các đại-lượng bị lượng-tử hóa một cách chính-xác như Hall conductance cũng có nguồn-gốc topo và giá-trị của chúng không thay-đổi khi mẫu đo có những thay-đổi nhỏ. Số lỗ tất-nhiên chỉ có thể là nguyên và Hall conductance cũng chỉ nhận các giá-trị nguyên (trong đơn-vị e^2/h). Đó chính là IQHE ! Các trạng-thái kim-loại xuất-hiện ở ngưỡng của mẫu đo (edge states) là các trạng-thái lượng-tử khác biệt về mặt topo với các trạng-thái đã biết. Sự xuất-hiện của chúng không kèm-theo bất-kỳ một phá-vớ đối-xứng nào và chúng được “bảo-vệ” về mặt topo (topologically protected) nhờ đó mà Hall conductance không bị thay-đổi.

          Người mang topo đi sâu hơn vào vật-lý vật-chất ngưng-đọng là Haldane. Năm 1983 Haldane đã dùng topo mô-tả các tính-chất của các hệ từ một chiều. Công-trình này có-thể xem là cơ-sở cho những cố-gắng sau-này trong việc tạo-ra các kích-thích được bảo-vệ về mặt topo, mà chúng thể-hiện ra như các Majorana fermions (một siêu thách-thức trong vật-lý hạt). Ngày nay người ta tin rằng việc các trạng-thái Majorana được bảo-vệ vể mặt topo sẽ làm cho chúng trở-nên rất có lợi cho tính-toán lượng-tử nếu các qubits được tạo ra từ các cặp trạng-thái này. Các phép toán logic trong tính-toán lượng-tử cũng có-thể được thực-hiện một cách lí-tưởng bằng hoán-đổi vị-trí các Majorana. Công-trình quan-trọng nữa của Haldane là về hiệu-ứng Hall lượng-tử phân-số (Fractional Quantum Hall effect – FQHE) công-bố năm 1988. Trong công-trình này Haldane đã xây-dựng một mô-hình lý-thuyết cho các trạng-thái Hall lượng-tử trong mạng hai chiều tổ ong. Bất-ngờ là, trong mô-hình của Haldane các trạng-thái Hall lượng-tử xuất-hiện mà không hề đòi-hỏi phải có từ-trường ngoài hay các mức Landau (vốn là yếu-tố không thiếu để có hiệu-ứng Hall). Cùng với công-trình của Thouless về IQHE, công-trình về FQHE của Haldane đã khai-sinh ra một hướng nghiên-cứu hoàn-toàn mới trong vật-lý vật-chất ngưng-đọng – nghiên-cứu vật-chất ở các pha topo. Các trạng-thái kim-loại xuất-hiện ở các ngưỡng của mẫu đo Hall chính là các trạng-thái topo đầu-tiên từng được biết đến.

          Bùng-nổ trong nghiên-cứu pha topo xảy-ra đâu-đó khoảng 2005 với rất nhiều phát-hiện lớn và bất-ngờ: Hiệu-ứng Hall Spin Lượng-tử (Quantum Spin Hall), tiên-đoán rồi phát-hiện thực-nghiệm về các pha topo: điện-môi topo (topological insulators), các siêu-dẫn/siêu chảy topo (topological superconductors/superfluids), bán kim-loại topo (topological semimetals), rồi quan-sát được các Majorana và Weyl fermions/modes … Tất-cả có-thể xem là được khởi-nguồn từ những công-trình Nobel của THK. Hiện-nay vật-chất topo đang là đối-tượng nghiên-cứu nóng nhất trong vật-lý vật-chất ngưng-đọng. Dưới ánh-sáng của những nghiên-cứu mới ngay cả lý-thuyết vùng truyền-thống của các tinh-thể hóa-ra là cũng còn chưa thỏa-đáng, khá bị hạn-chế. Vật-lý vật-chất ngưng-đọng có nhu-cầu được xem-xét lại từ nền-tảng (bottom). Albert Einstein đã từng khăng-khăng rằng, tất-cả các định-luật cơ-bản của vật-lý cần phải được biểu-đạt bằng ngôn-ngữ hình-học, mà lý-thuyết hấp-dẫn của ông là một minh-chứng (hấp-dẫn biểu-đạt bằng độ-cong hình-học của không-thời gian). Giờ-đây, dường-như, các nhà vật-lý đang đẩy niềm-tin của Einstein lên thêm một nấc mới: mô-tả các định-luật cơ-bản của vật-lý bằng ngôn-ngữ lý-thuyết trường topo.

          Về Nobel vật-lý năm nay, có-thể nói đó là những công-trình siêu lý-thuyết với những tiên-đoán siêu ngạc-nhiên và tầm ảnh-hưởng siêu quan-trọng, đến nay chưa lường hết được (thâm-chí cả với vật-lý hạt).

          Thế còn phát-hiện trực-tiếp sóng hấp-dẫn của LIGO ? Vấn-đề là ở chỗ, ngày 31 tháng Giêng là hạn cuối-cùng nhận đề-cử giải Nobel hàng năm, thế-mà công-trình của LIGO lại chỉ được công-bố vào ngày 11 tháng Hai 2016, nghĩa là hơi bị muộn để có-thể đề-cử cho giải năm nay. Còn sang năm hay bao-giờ LIGO được Nobel thì đó là câu-chuyện thuộc loại hồi sau sẽ rõ.

                                                                                                                         Nguyễn Trần