Cho vài viên đá lên chảo nóng trên bếp, trong vòng vài phút, bạn sẽ quan sát được ba trạng thái phổ biến nhất của vật chất: rắn, lỏng, khí. Nhưng ở một giới hạn đặc biệt của tự nhiên, như khi đạt gần tới không độ tuyệt đối (−273° C), các trạng thái này sẽ bước vào một giai đoạn mới vô cùng kỳ lạ. Các nhà khoa học đạt giải Nobel Vật lý 2016 đã giúp nhân loại hiểu biết về những điều như vậy. Họ đã “mở ra cánh cửa về một thế giới khác, nơi vật chất có thể chuyển sang các trạng thái khác thường”.

Nobel Vat ly 2016 va bi an ve cac vat chat la - Anh 1

Ba nhà khoa học đạt giải Nobel Vật lý 2016 (theo thứ tự từ trái sang) David Thouless, Duncan Haldane và Michael Kosterlitz

Ba nhà khoa học gốc Anh David Thouless, Duncan Haldane và Michael Kosterlitz, hiện đang sinh sống tại Mỹ, đã trở thành những chủ nhân của giải Nobel Vật lý 2016 công bố hôm qua (4/10). David Thouless giành một nửa giải thưởng, trong khi Ducan Haldane và Michale Kosterlitz chia nhau phân nửa giải thưởng còn lại.

Khám phá những đặc tính kỳ lạ của vật chất

Bộ ba nhà khoa học nêu trên đã sử dụng phương pháp hình học tô pô (topology), một nhánh của toán học, để giải thích những trạng thái kỳ lạ của của vật chất như siêu dẫn và siêu lỏng ở nhiệt độ thấp.

Tô pô hay tô pô học có gốc từ trong tiếng Hy Lạp là topologia, gồm topos (nghĩa là "nơi chốn") và logos (nghiên cứu), là một ngành toán học nghiên cứu những đặc tính bất biến của vật chất qua các sự biến dạng, sự xoắn và sự kéo giãn nhưng ngoại trừ việc xé rách và việc dán dính. Hình học tô pô mô tả hình dạng và cấu trúc của vật chất bằng các đặc điểm cơ bản như số lượng lỗ. Ngành toán học này không phân biệt một chiếc cốc hay một cái vòng, chúng đều giống nhau vì chỉ có 1 lỗ, nhưng lại khác với chiếc bánh xoắn vì nó có 2 lỗ.

Nobel Vat ly 2016 va bi an ve cac vat chat la - Anh 2

Hình học tô pô mô tả hình dạng và cấu trúc của vật chất bằng các đặc điểm cơ bản như số lượng lỗ. Ví dụ như cặp kính có 2 lỗ, chiếc chén có 1 lỗ, chiếc bánh ngọt có 3 lỗ.

Trong điều kiện bình thường, vật chất gồm 3 dạng là khí, lỏng và rắn. Tuy nhiên, trong điều kiện cực nóng hoặc cực lạnh, vật chất biến dạng thành những trạng thái hiếm hơn. Nghiên cứu của các nhà khoa học lần này là dùng tô pô học để giải thích những biến dạng bí ẩn ấy.

Các lý thuyết cũ cho rằng tình trạng siêu bán dẫn và siêu lỏng không thể xảy ra ở các lớp mỏng. Nhưng vào đầu những năm 1970, Kosterlitz và Thouless đã lật ngược các lý thuyết này.

Họ dùng những chiếc bánh 3 hình dạng gồm hình khối (không có lỗ), chiếc bánh vòng (1 lỗ) và bánh xoắn (2 lỗ) để giải thích cho nghiên cứu của mình, và trên thực tế đã phát hiện ra những phản ứng bất ngờ về trạng thái của chất rắn.

Trong thập niên 1980, nhà khoa học Thouless đã giải thích được một thí nghiệm trước đó với các màng dẫn điện mỏng, trong đó độ dẫn được đo một cách chính xác như các khoảng cách nguyên. Ông cho thấy những khoảng cách nguyên đó mang tính tô pô học về bản chất. Cũng vào thời gian đó, nhà khoa học Duncan Haldance phát hiện ra cách các khái niệm tô pô học có thể được sử dụng để hiểu những thuộc tính của các chuỗi nam châm nhỏ được tìm thấy trong một số vật liệu.

Ba nhà khoa học đã chứng minh được rằng siêu dẫn có thể xảy ra ở nhiệt độ thấp, khi mà hiệu ứng lượng tử xuất hiện, đồng thời giải thích được cơ chế chuyển trạng thái khiến siêu bán dẫn biến mất ở nhiệt độ cao.

Bước tiến cho nhân loại

Các nhà khoa học đạt giải thưởng Nobel Vật lý năm nay đã chứng minh nhiều vật liệu trong thực tế có thể đặc trưng bằng nguyên lý toán học của hình học tô pô. Nói cách khác, với những nghiên cứu của họ, giờ đây chúng ta biết nhiều trạng thái tô pô học, không chỉ ở trong các màng và sợi mỏng mà trong các vật liệu ba chiều thông thường.

Trong thập niên qua, lĩnh vực này đã thúc đẩy những nghiên cứu tiên tiến trong vật lý vật chất cô đặc. Trong tương lai, những vật liệu tuân theo hình học tô pô có thể là tiền đề cho thế hệ điện tử mới, bao gồm cả máy tính lượng tử, cũng như mở đường cho việc sản xuất những vật liệu mới hoàn toàn, chẳng hạn siêu dẫn.

An Hy