Ngoài Rắn Lỏng, Khí – Còn Trạng Thái Vật Chất Nào Khác?

Trong nhiều thế kỷ, người ta cho rằng chỉ có ba trạng thái vật chất: rắn, lỏng và khí (cả 3 đều tồn tại và ổn định trong thế giới của chúng ta). Và nước là chất đại diện

Trong nhiều thế kỷ, người ta cho rằng chỉ có ba trạng thái vật chất: rắn, lỏng và khí (cả 3 đều tồn tại và ổn định trong thế giới của chúng ta). Và nước là chất đại diện tốt nhất cho chúng, vì nó là chất duy nhất tồn tại tự nhiên với ba trạng thái.

Nhưng sự phát triển của các công nghệ mới, để tạo ra các điều kiện ngày càng khắc nghiệt và tràn đầy năng lượng trong các phòng thí nghiệm, đã cho phép 5 trạng thái khác được phát hiện trong những năm gần đây (và một ứng cử viên cuối cùng, mới xuất hiện vào năm 2018).

Plasma

Trạng thái plasma là dạng mà các khí chứa bên trong đèn neon, ống huỳnh quang và tất nhiên bao gồm trường hợp màn hình plasma. Đây cũng là trạng thái đặc của tia chớp. Trên thực tế, người ta ước tính rằng 99% vật chất trong vũ trụ quan sát được là plasma.

Một quả cầu plasma trong phòng tối. Ảnh: Chocolateoak

Plasma là một chất khí bị ion hóa ở nhiệt độ cao, được tạo thành từ các cation (phân tử hoặc nguyên tử tích điện dương) và các electron tự do (tích điện âm), giữa chúng có các lực tĩnh điện đáng kể. Nói chung, tổng điện tích bằng không, nhưng bên trong các hạt có điện tích. Điều này có nghĩa là, không giống như chất khí, plasma là chất dẫn điện và có thể bị giới hạn trong từ trường.

Quark – Gluon Plasma (qgp)

Đó là trạng thái trong đó (người ta cho rằng) tất cả vật chất trong vũ trụ chỉ ở một phần triệu giây sau vụ nổ lớn (big bang) và ngay trước khi nó bắt đầu nguội đi và chuyển sang trạng thái khác ít năng lượng hơn.

Vào thời điểm đó – được đặc trưng bởi nhiệt độ và năng lượng cực cao – tất cả vật chất sẽ được tìm thấy dưới dạng một hỗn hợp đậm đặc gồm các hạt cơ bản: Quark và Gluon, chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Do đó, lực hấp dẫn giữa chúng yếu đến mức chúng cho phép cái này và cái kia duy trì cá tính của chúng và di chuyển tự do.

Vài giây sau vụ nổ lớn, các khối vật chất hình thành từ trạng thái nóng và tràn đầy năng lượng, Quark-Gluon Plasma (QGP). Ảnh: Đại học Houston

Bằng chứng đầu tiên về sự tồn tại của trạng thái QGP đã đạt được vào năm 2003 và được xác nhận vào năm 2005 trong máy gia tốc CERN.

Ở đó, người ta thấy rằng Plasma Quark-Gluon không hành xử – giống như khí lý tưởng (như giả định) mà giống như một chất siêu lỏng, với độ nhớt tối thiểu. Cho đến nay, QGP chỉ có sẵn trong các cơ sở rất cụ thể và trong một thời gian rất hạn chế, và các ứng dụng của nó vẫn đang được nghiên cứu.

Chất lỏng spin lượng tử

Nhà vật lý (đoạt giải Nobel) Philip Warren Anderson là người đầu tiên dự đoán sự tồn tại của chất lỏng spin lượng tử vào những năm 1970. Nhưng phải đến năm 2016, sự tồn tại thực sự của nó mới được chứng minh. Điều kỳ lạ là, trong những điều kiện nhất định về áp suất và nhiệt độ, một số khoáng chất có những vùng ở trạng thái này, bao gồm cả khoáng chất herbersmithite.

Dưới những điều kiện nhất định về áp suất và nhiệt độ, herbersmithite thể hiện các vùng ở trạng thái spin chất lỏng lượng tử. Ảnh: Rob Lavinsky

Spin là một tính chất của electron và các hạt hạ nguyên tử khác. Theo trực giác, cứ như thể mỗi electron chứa một chiếc la bàn nhỏ xíu bên trong. Trong hầu hết các vật liệu (và trong các trạng thái của vật chất), spin của các electron thẳng hàng với nhau.

Tuy nhiên, ở trạng thái chất lỏng lượng tử của spin, spin của các electron không bao giờ thẳng hàng mà duy trì trạng thái dao động không đổi ngay cả ở nhiệt độ gần bằng không tuyệt đối, trong khi ở các trạng thái khác của vật chất, spin bị đóng băng ở nhiệt độ đó.

Trạng thái chất lỏng lượng tử của các spin mang lại cho vật chất các đặc tính từ tính độc đáo, ứng dụng của nó đang được nghiên cứu.

Trạng thái suy biến (Degenerate)

Dưới áp suất cực lớn, chẳng hạn như áp suất được tìm thấy trong lõi của một số ngôi sao, các hạt bị nén vào một không gian tối thiểu. Vì hai hạt không thể chiếm cùng một không gian vào cùng một thời điểm, nên điều này làm cho các nguyên tử bị thoái hóa và mất cấu trúc của chúng: Các electron rơi ra khỏi quỹ đạo của chúng và bắt đầu chuyển động với tốc độ ngày càng gần tốc độ ánh sáng hơn, gây ra một lực mở rộng bù đắp cho áp suất bên ngoài.

Dưới áp suất cực lớn, chẳng hạn như áp suất được tìm thấy trong lõi của một số ngôi sao, các hạt bị nén vào một không gian tối thiểu. Ảnh: NASA/JPL-Caltech/2MASS

Nếu nó tiếp tục tăng và vượt quá cái gọi là giới hạn Chandrasekar, thì áp suất bên ngoài trở nên không bền vững và các hạt nhân nguyên tử cũng thoái hóa, mất cấu trúc, sụp đổ thành sự tích tụ neutron và proton.

Trạng thái siêu nguyên tử (bose–einstein condenser)

Năm 1924 Satyendra Bose và Albert Einstein dự đoán sự tồn tại của một trạng thái mới của vật chất bằng cách áp dụng thống kê cho cơ học lượng tử. Theo cả 2 nhà vật lý, khi vật chất nguội đi đến nhiệt độ ngay trên độ không tuyệt đối, trong một số trường hợp, các hạt cấu thành đều rơi xuống cùng một mức năng lượng. Tình trạng này vi phạm các nguyên tắc của vật lý lượng tử: Các hạt trở nên không thể phân biệt được với nhau và tạo thành một “siêu nguyên tử”.

Hình ảnh này cho thấy các nguyên tử trong chất ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) bị đẩy xung quanh bởi ánh sáng laze. Ảnh: Viện tiêu chuẩn và công nghệ quốc gia

Nhưng mãi đến năm 1995, Cornell, Wieman và Ketterle mới chế tạo được chất ngưng tụ Bose-Einstein nhờ sử dụng tia lazer và nam châm điện mới, mạnh hơn. Từ đó, người ta nhận thấy trạng thái này có đặc điểm là siêu chảy và siêu dẫn. Và cũng bởi vì nó có khả năng làm chậm tốc độ ánh sáng đi qua nó xuống tốc độ chỉ vài mét mỗi giây.

Băng siêu âm (superionic ice)

Nước như đầu và cuối. Nước là chất duy nhất có trong tự nhiên ở cả 3 trạng thái cổ điển. Và nó cũng là chất mà một dạng hoặc trạng thái sắp xếp mới được phát hiện vào đầu năm 2018: Băng siêu âm.

Để làm được điều này, các tinh thể băng phải chịu áp suất cao gấp 2 triệu lần áp suất khí quyển và nhiệt độ gần 5.000 ºC. Áp lực khủng khiếp này buộc băng (đá hay trạng thái rắn của nước) phải áp dụng một khối lượng rất chặt chẽ. Nhưng đồng thời, nhiệt độ cao làm tan chảy các liên kết của phân tử nước. Kết quả là 2 pha cùng tồn tại trong băng siêu ion: Một chất lỏng và một chất rắn. Các nguyên tử oxy sử dụng cấu trúc tinh thể, qua đó các hạt nhân hydro chảy qua.

Băng siêu ion được cho là tồn tại với số lượng lớn trên các hành tinh khí khổng lồ và băng giá như sao Thiên Vương. Ảnh: NASA/JPL-Caltech

Người ta tin rằng, băng siêu âm có thể tồn tại với số lượng lớn trên các hành tinh khí và băng khổng lồ như sao Thiên vương tinh hoặc sao Hải vương, bên trong đó tồn tại các điều kiện thích hợp cho sự hình thành của nó.

Nếu xác nhận rằng các chất khác chịu các điều kiện tương tự cũng áp dụng sự sắp xếp này, thì chúng ta sẽ phải đối mặt với một trạng thái vật chất mới.

Miguel Barral

Lên đầu trang