Một nhà tiên phong về lượng tử mở ra những bí mật ẩn chứa vật chất

 Một nhà tiên phong về lượng tử mở ra những bí mật ẩn chứa vật chất

Nhà vật lý Gil Lonzarich đã gây ra một cuộc cách mạng trong nghiên cứu chuyển tiếp pha dựa trên các dao động lượng tử

Năm 1989, phẫu thuật cho võng mạc tách rời đã để lại cho Gilbert Lonzarich mù trong một tháng. Thay vì cảm thấy chán nản hoặc chán nản, nhà vật lý chất cô đặc tại Đại học Cambridge, Anh, đã nắm lấy cơ hội, mời sinh viên sau đại học về nhà để chia sẻ với họ về mức độ thích thú với cuộc sống mà không cần nhìn. Andrew Mackenzie, sau đó là một trong những sinh viên đó và hiện nay là giám đốc Viện Vật lý Vật lý Hóa học của Max Planck ở Dresden, Đức, cho biết kinh nghiệm của Lonzarich hoàn toàn có thể hiểu được cách tiếp cận của ông đối với cuộc sống. "Gil là một trong những người tích cực nhất mà tôi từng gặp. Anh ấy quan tâm đến mọi thứ ", anh nói.

Trong hơn 40 năm, sự lạc quan và tò mò đã dẫn Lonzarich đến thăm dò vật liệu theo những cách không bao giờ nghĩ là có thể. Trong các thí nghiệm tiên phong trong những năm 90, nhóm nghiên cứu của ông cho thấy rằng đẩy các hợp chất từ ​​lên áp suất cực đại và gần với độ không tuyệt đối có thể làm cho một số chúng dẫn điện mà không có điện trở. Điều này đã bay khi đối mặt với quy ước, tuyên bố rằng tính từ và sự siêu dẫn không bao giờ có thể hòa lẫn. Malte Grosche, một đồng nghiệp của Cambridge, nói: "Nó giống như ngày nay bạn đang nói về việc tìm người ngoài hành tinh hay một cái gì đó.

Nghiên cứu này cho thấy các nhà vật lý một cách mới để săn tìm các chất siêu dẫn, nằm trong lòng các công nghệ như các máy gia tốc cộng hưởng từ và máy gia tốc hạt. Trong những năm gần đây, nó đã đưa ra một lời giải thích tiềm năng cho lý do tại sao một số vật liệu vẫn là chất siêu dẫn ở nhiệt độ cao hơn tuyệt đối không, điều này có thể mở đường cho phát triển các thiết bị rẻ tiền hiệu quả và rẻ tiền mà siêu dẫn ở nhiệt độ phòng.

Nhưng các thí nghiệm đã có một tác động tốt hơn tính siêu dẫn. 

Phương pháp Lonzarich đưa vật liệu vào điều kiện khắc nghiệt đã trở thành công thức chung để phát hiện ra các trạng thái vật chất mới. Trên khắp thế giới, các nhà vật lý bây giờ sử dụng cách tiếp cận này để khảo sát một loạt các vật liệu trong đó sự tương tác tập thể của các điện tử có thể dẫn đến hành vi bất thường. Một số trong những hiện tượng này có thể làm cách mạng hóa máy tính.

Nghiên cứu của Lonzarich có thể là huyền thoại trong cộng đồng của ông, nhưng sự khiêm nhường và sự khiêm tốn của nhà vật lý này là điều làm ông thích thú với các đồng nghiệp của mình. Anh ấy vô thức bất tỉnh về thời gian; một cuộc trò chuyện bình thường với Lonzarich có thể dễ dàng dẫn đến một cuộc đi bộ ngẫu nhiên kéo dài hàng giờ thông qua các lối đi của vật lý, triết học, chính trị và lịch sử. Michael Sutherland, một đồng nghiệp ở Cambridge, cho hay điều đó có nghĩa là bữa trưa bị bỏ lỡ "nhưng đó là những giờ hiệu quả nhất bạn sẽ có cả tuần". Các cuộc gọi qua điện thoại với bạn bè thường kéo dài vào những giờ nhỏ của buổi sáng, và trong những dịp hiếm hoi khi Lonzarich đi dự một buổi hội thảo, anh ta thường thu hút được một lượng lớn những người tham dự. Louis Taillefer, một cựu sinh viên khác, nói: "Những người gặp ông ta thậm chí một lần hay hai lần phát triển cảm giác oán hận và sợ hãi,

Ở tuổi 72, Lonzarich hiện đang giữ vai trò bán thời gian trong nhóm  lượng tử Cambridge , nhưng ông vẫn đưa ra những khám phá mới bằng cách đẩy các nguyên liệu vào những cực đoan lớn hơn bao giờ hết. Ông nhìn thấy cảnh giới ít được khám phá này cũng như cơ bản để làm sáng tỏ các quy luật vật lý như các thí nghiệm năng lượng cao ở các va chạm hạt và hy vọng rằng còn rất nhiều điều để khám phá. Piers Coleman, nhà vật lý lý thuyết thuộc Đại học Rutgers ở Piscataway, New Jersey nói: "Gil chưa bao giờ tin rằng chúng ta chỉ cần điền thông tin chi tiết. "Ông ấy thực sự coi việc thăm dò vật chất lượng tử là một biên giới thực sự."

NỖ LỰC TẬP THỂ

Đi du học tại trường trung học Trinity, Cambridge, Lonzarich rất háo hức muốn chỉ ra bức chân dung của nhà kinh tế học John Kenneth Galbraith, một trong những anh hùng của ông, và ông đã nhiệt tình thảo luận về công việc ấn tượng của các đồng nghiệp. Nhưng khi cuộc trò chuyện xoay quanh những thành tựu của mình, Lonzarich trở nên kín đáo. Bản chất của con người là để ăn mừng anh hùng, nhưng khoa học là một hoạt động tập thể, và chỉ ra những cá nhân để khen ngợi một nhóm.

Mặc dù các đồng nghiệp đã nhanh chóng làm nổi bật ảnh hưởng của Lonzarich, nhưng ông không bao giờ thực hiện - một cuộc tập dượt có thể được bắt nguồn từ sự nuôi dạy của cha mẹ người Ý trên bán đảo Istria. Cha anh bảo anh "luôn luôn cắt tấm bánh lớn hơn cho người khác", anh nhớ lại. Ở trường, ông đã học về Cộng hòa La Mã và bị tò mò bởi tầm quan trọng đặt lên lý do, sự thỏa hiệp và quản trị hợp tác.

Gia đình ông chuyển đến Hoa Kỳ khi ông lên chín. Vào những năm 1960, Lonzarich đã trở thành một thanh niên trẻ ham học hỏi. Sự quan tâm của ông về vật lý bắt đầu tại Đại học California, Berkeley, nơi ông đạt được bằng cấp nghệ thuật tự do. Đó là nơi ông gặp Gerie Simmons (nay là Lonzarich). Hai người đã ngưỡng mộ nhau từ xa trước khi cô thiết kế cuộc họp của họ bằng cách giả vờ cần một trợ giảng vật lý; họ kết hôn năm 1967.

"Trong những dịp hiếm hoi tôi đã nhìn thấy hình ảnh của anh từ những ngày đó, anh ấy có mái tóc dài. Anh ấy là một hippy vật lý, "Coleman nói. Nhưng mặc dù Lonzarich cảm thấy mạnh mẽ rằng mọi người nên thách thức chính phủ, kể cả cuộc chiến tranh mới bắt đầu của Hoa Kỳ ở Việt Nam, ông đã bị vỡ mộng với việc sử dụng ma túy và miễn cưỡng từ gia đình. "Tôi muốn có thể làm điều gì đó hữu hình, để tận dụng cuộc sống. Tôi không nghĩ chúng tôi đã làm điều đó, "anh nói.

Sau khi họ theo học tại trường Đại học Minnesota ở Minneapolis, phần tối của phong trào đã đẩy Gerie và Gil đi khỏi Hoa Kỳ, đến trường đại học British Columbia ở Vancouver, Canada. Ở đó, Lonzarich bắt đầu mê hoặc từ tính, trong khi nghiên cứu tiến sĩ của mình trong một phòng thí nghiệm mới được dẫn dắt bởi nhà vật lý học ngưng tụ Andrew Gold. Khi ông rời đi năm 1976 vì một thời gian ở Cambridge, ông đã tìm thấy Rome mới của mình. Cấu trúc trường đại học không có hệ thống phân cấp thực sự và khoe với hai người khổng lồ về vật lý vật chất cô đặc - Brian Pippard và David Shoenberg. Những gì được dự định để được một cuộc phiêu lưu châu Âu một năm kết thúc kéo dài hơn 40 năm.

Lonzarich đến Cambridge muốn nghiên cứu nam châm - vật liệu, trong đó các spin của electron đều tự canh. Cách tiếp cận của ông đã nâng lên một vài lông mày ban đầu: ông đã phát triển các ký hiệu toán học riêng của mình và sẽ dành nhiều tuần chuẩn bị các thí nghiệm của mình trong khi dường như không làm gì cả. Nhưng phương pháp của ông sớm bắt đầu có kết quả.

Trong vật liệu từ tính, các spin duy trì trật tự sắp xếp của chúng chỉ đến một điểm; trên một nhiệt độ nhất định, các điện tử có quá nhiều năng lượng mà chúng có thể dễ dàng vượt qua được các lực tác động lên spin. Lonzarich cho rằng cách tốt nhất để hiểu các vật liệu từ tính là đẩy chúng đến điểm đó, nơi chúng sẽ sẵn sàng ở cạnh dao giữa trật tự và rối loạn. Cụ thể, ông quan tâm đến khám phá những gì có thể xảy ra nếu chuyển đổi từ tính đã được chuyển đổi để các hiệu ứng lượng tử có thể làm thay đổi trạng thái của vật liệu. Ở áp suất cao hơn, quá trình chuyển đổi xảy ra ở nhiệt độ thấp hơn. Và với áp suất đủ, một vật liệu có thể được 'điều chỉnh' để điểm chuyển tiếp từ của nó xảy ra gần với độ không tuyệt đối. Ở đây, rung động nhiệt don ' t cung cấp đủ năng lượng cho vật liệu để mất thứ tự từ của nó. Thay vào đó, các thay đổi về lượng tử - thay đổi tạm thời trong tính chất điện tử, chẳng hạn như vận tốc và vị trí, gây ra bởi sự không chắc chắn vốn có của thế giới lượng tử - chiếm ưu thế và có thể làm cho vật

liệu chuyển trạng thái. Trong chế độ này, một vùng xung quanh một điểm ở độ không tuyệt đối gọi là điểm tới hạn lượng tử, các vật liệu từ trở nên không ổn định và căng thẳng trên bờ vực của từ tính: chúng thiếu trật tự nhưng ngứa.

Với các lực vật lý lớn hơn bị ức chế xung quanh điểm tới hạn lượng tử, các tương tác yếu yếu giữa các điện tử có thể có những ảnh hưởng rất lớn. Và họ có thể, Lonzarich lý luận, tạo ra các trạng thái mới của vật chất thông qua sự tương tác tập thể của họ. "Nó giống như trong một khu rừng; các nhà máy nhỏ sẽ không phát triển cho đến khi cây lớn bị cắt giảm ", ông nói.

Đặc biệt, Lonzarich tiên đoán rằng vật liệu từ tính chống thấm từ - những vật liệu từ tính, trong đó các trục quay lân cận xoay theo hướng đối diện dưới một nhiệt độ - sẽ trở thành siêu dẫn gần điểm tới hạn lượng tử. Trên lý thuyết từ tính, ông lý luận, các điện tử sẽ rất mong muốn sắp xếp rằng họ có thể tự tạo thành các cặp với các spin đối diện. Những cặp song song này sẽ dính chặt nhau, và sự thu hút của chúng với nhau sẽ ổn định cuộc hành trình của họ thông qua mạng nguyên tử của vật liệu.

Kể từ giữa những năm 1980, các nhà lý luận khác nhau đã cho rằng có thể dẫn đến sự siêu dẫn như vậy từ từ, nhưng đội của Lonzarich là người đầu tiên cung cấp bằng chứng thực nghiệm vững chắc. Khi nhóm đẩy một mẫu Cerium indium-3 gần với điểm tới hạn lượng tử bằng cách làm lạnh nó ở áp suất cao, các nhà nghiên cứu đã nhìn thấy nó lọt vào một giai đoạn siêu dẫn - một thứ chưa từng thấy trong vật liệu từ tính.

Công trình được thực hiện vào năm 1994 đã trình diễn một loại vật liệu siêu dẫn mới. Nó cũng cung cấp một bản đồ đường đi để tìm kiếm các vật liệu siêu dẫn khác. Ngày nay, các nhà vật lí thường đẩy quá trình chuyển đổi các vật liệu từ tính xuống mức tuyệt đối không để xem liệu hành vi này có xuất hiện hay không.

ĐỊA HÌNH MỚI

Điểm tới hạn lượng tử và các tương tác lượng tử mạnh có thể xảy ra xung quanh nó có thể làm tăng các trạng thái kỳ lạ khác chứ không chỉ là tính siêu dẫn. Nhà vật lý học Cambridge, Stephen Rowley, nói: "Nó giống như một điểm sinh sản để khám phá các trạng thái vật chất mới. Các nhà vật lý trên thế giới hiện nay vận dụng một loạt các yếu tố khác nhau - áp lực, từ trường và thành phần hóa học - đẩy các giai đoạn chuyển tiếp tới nhiệt độ thấp hơn và do đó tiếp cận một điểm tới hạn lượng tử.

Vào cuối những năm 1990, phương pháp này đã dẫn Lonzarich và sau đó là sinh viên Christian Pfleiderer khám phá ra hành vi kỳ lạ trong chất silicon mangan nguyên liệu. Các thí nghiệm thực hiện trong vài năm gần đây đã gợi ý rằng điều này có thể liên quan đến xoáy từ hai chiều xoắn, được gọi là skyrmions, được Pfleiderer và các đồng nghiệp mô tả sau đó và hiện đang được chào hàng như là một cách hiệu quả để lưu trữ thông tin. Bằng cách khảo sát xung quanh một điểm trọng yếu của strontium ruthenate oxide, năm 2007 Mackenzie và nhóm của ông đã xác nhận sự tồn tại của một pha mới của vật chất, trong đó các electron di chuyển nhưng vẫn thể hiện một cấu trúc không gian có trật tự.

Các nhà vật lí cho biết Lonzarich là duy nhất ở chỗ ông không chỉ là một nhà lý thuyết giỏi mà còn là một nhà thực nghiệm đặc biệt. David Pines, nhà vật lý học và là giáo sư nghiên cứu tại Đại học California, Davis nói: "Bạn phải nhìn lại Enrico Fermi để có thể suy nghĩ sâu sắc về lý thuyết và thực hiện các thí nghiệm thực sự tốt. Lonzarich phát triển mẫu của mình đến mức độ tinh khiết cao và đi tiên phong trong một kỹ thuật, được gọi là dao động lượng tử, cho phép các nhà vật lí xác định cấu trúc điện tử của các hệ thống tương tác phức tạp. Patricia Alireza, người điều hành phòng thí nghiệm áp lực cao tại Phòng thí nghiệm Cavendish của Cambridge, nói rằng Lonzarich thường khuyến khích cô tạo ra các thiết bị ép mẫu tốt hơn những gì được cho là có thể. "Gil sẽ mỉm cười và nói, ' Tôi nghĩ chúng ta có thể làm một nhân tố tốt hơn 100 ", cô nói. "Và bạn biết những gì? Chúng tôi luôn làm. "

Nhiều sinh viên của Lonzarich vẫn tiếp tục học về vật lý và phát triển rực rỡ. Chẳng hạn, Suchitra Sebastian đã dẫn dắt Lonzarich một vài năm trước trên samarium hexaboride, một chất cách điện có hoạt động giống như kim loại khi tiếp xúc với từ trường mạnh. Cô nói rằng nếu không có lời khuyên của mình, cô có thể đã rời khỏi lĩnh vực này. "Anh ấy không chỉ giảng dạy cho bạn" đây là cách bạn làm vật lí ", nhưng" đây là cách sống sót trong thế giới vật lý ", cô nói. Lonzarich là khiêm tốn về số tiền ông đóng góp vào sự thành công của những người mà ông đã hướng dẫn, nói rằng họ đã dạy ông ít nhất là theo cách khác.

Rowley cho biết một điều mà ông luôn dành cho mọi người là thời gian. Nó giúp anh ta giỏi thoát khỏi bộ máy quan liêu không cần thiết, cho biết thêm Pines. "Ông ấy có nhiều văn phòng khác nhau để luôn có thể che giấu điều đó." Nhưng sự tự do của Lonzarich đối với suy nghĩ của ông chủ yếu do vợ ông, Gerie cho phép. Cô đảm bảo rằng các ứng dụng tài trợ được giao đúng thời gian và các chuyến bay bị bắt. Gil nói rằng vợ mình cũng giống như Mặt Trời: "Vì vậy, lớn và quan trọng là đôi khi bạn quên mất đó là lý do tất cả mọi thứ ở đó."

BÍ ẨN KÉO DÀI

Trong vài năm gần đây, ý tưởng của Lonzarich về mối liên hệ mật thiết giữa siêu dẫn và từ tính đã có được sự liên quan mới. Các nhà vật lý giải thích tính siêu dẫn thông thường bằng cách sử dụng lý thuyết BCS, được đặt tên theo tên tắt của ba người đã xuất bản nó vào năm 1957. Lý thuyết cho biết rằng một điện tử đẩy nhanh qua một số vật liệu tạo ra sự méo mó tích cực trong lưới nguyên tử phía sau nó. Điều này kéo vào một điện tử thứ hai, theo sau là đầu tiên giống như một tay đua xe đạp cưỡi trên máy bay của đối thủ cạnh tranh. Nếu có đủ các hình dạng "Cooper pair 'tương đối ổn định, chúng tạo ra một trạng thái có trật tự, trong đó hai điện tử giữ cho nhau trên dòng chảy và không có điện trở.

Nhưng lời giải thích này không thể giải thích cho bánh sandwich của chất cách điện bằng đồng được gọi là cuprate và  chất bán dẫn dựa trên sắt . Hai loại siêu dẫn này có thể mang dòng điện mà không có điện trở ở nhiệt độ 133 kelvin. Nếu những chuyển tiếp như vậy có thể được tăng lên đến nhiệt độ phòng, khoảng 300 kenvin, những chất siêu dẫn này có thể cho phép năng lượng, hình ảnh y tế và vận chuyển rẻ hơn. Nhưng  cuộc tranh luận về cách họ làm việc đã nổ ra trong 30 năm .

Ngay từ đầu, một trại nghĩ rằng tương tác từ tính - có thể chịu được nhiệt độ cao hơn các tương tác gây ra bởi sự méo mó của mạng lưới - có thể kết hợp các điện tử với nhau để tạo ra sự siêu dẫn trong cuprat. Lonzarich đưa ra lý thuyết rằng keo từ này có thể bắt nguồn từ những biến động lượng tử tương tự tăng lên xung quanh các điểm lượng tử lượng tử phản kháng từ. Ý tưởng này hiện đang được bàn cãi gay gắt, và đã đạt được một số bằng chứng ủng hộ trong năm ngoái trong các thí nghiệm thực hiện bởi nhóm của Taillefer, với các cộng tác viên tại  Phòng thí nghiệm Quốc gia về Từ trường Cực dương tại Toulouse, Pháp. Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng việc loại bỏ một cuprate tính siêu dẫn của nó bằng một từ trường mạnh và gia tăng mức độ các tạp chất cho thấy sự chuyển tiếp pha sắc nét - một điểm quan trọng lượng tử ẩn. Mặc dù bản chất chính xác của điểm này vẫn không rõ ràng, có vẻ như khả năng tương quan sắt từ đang diễn ra, Taillefer nói. "Điều đó có nghĩa là Gil có một cảm giác trực giác", anh nói.

Lonzarich hiện đang tìm kiếm các chất siêu dẫn nhiệt độ cao thông thường. Với Rowley và các đồng nghiệp khác, ông đang khảo sát bản chất của các loại điện, một lớp học nhỏ nghiên cứu các vật liệu ion tạo ra điện trường của chúng. Ở nhiệt độ thấp, các ferroelectric có thể trở thành chất siêu dẫn theo cách giống với sự siêu dẫn xuất hiện trong các vật liệu từ tính. Lonzarich có linh cảm rằng trong các vật liệu sắt thép cũng có từ tính, các cặp electron ràng buộc mạnh mẽ đến nỗi nhà nước có thể tồn tại đến nhiệt độ phòng.

Vũ trụ là phong phú hơn hầu hết các nhà khoa học cho nó tín dụng cho, Lonzarich nói. Mỗi trạng thái mới phát hiện của vật chất chỉ xuất hiện khi điều kiện là đúng và một vật liệu là đủ tinh khiết. Lonzarich đoán rằng việc khảo sát các ranh giới xung quanh các trạng thái này có thể tiết lộ nhiều giai đoạn, và nghiên cứu những ranh giới của những người này có thể tiết lộ nhiều hơn, với những khám phá mở ra theo một cách fractal. "Điều gì sẽ xảy ra nếu mỗi điểm phê bình lượng tử chỉ là sự khởi đầu của một thế hệ khác? Có một số dấu hiệu cho thấy chúng tôi đang hướng về hướng đó, "ông nói.

Ý tưởng này mang tính đầu cơ cao, nhưng Taillefer nói mọi người sẽ khôn ngoan khi lắng nghe. Quan điểm cho rằng một nguyên tắc quen thuộc hiện nay có thể giấu đi hành vi sâu sắc, phức tạp "điển hình Gil", ông nói. "Tôi chắc chắn sẽ bỏ tiền vào nó."