VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG ĐÔNG ĐẶC

 

NHIỀU ĐIỀU BỔ ÍCH , CƠ BẢN ,  MỚI  LẠ VÀ QUAN TRỌNG ĐỐI VỚI CÔNG NGHỆ HIÊN ĐẠI TỪ VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG ĐÔNG ĐẶC (CONDENSED MATTER)

62B

Tác giả  JOHN C. BAEZ  [1] đưa ra quan điểm xem vật lý MTĐĐ (Môi trường đông đặc-Condensed matter physics) không quá thu hẹp  như ta có thể hình dung mà là một bộ phận lớn vật lý , là nguồn gốc của nhiều ý tưởng vật lý là cái nôi của nhiều phát kiến mới , là chỗ để dành cho những nghiên cứu lớn của vật lý có ảnh hưởng đến toàn kiến trúc vật lý. Ta cũng biết thêm là vật lý MTĐ Đ có nhiều ánh xạ đến LTD (Lý thuyết dây) [2] đến lỗ đen [3] nghĩa là đến SM (Standard Model của các hạt cơ bản) và GR (General relativity của không thời gian).

Vật lý MTĐ Đ rất quan trọng cho công nghệ hiện đại (như photonics) cho máy tính.Nhiều thí nghiệm MTĐ Đ có thể thực hiên trong phòng thí nghiệm không cần những thiết bị khổng lồ như máy gia tốc các hạt cơ bản .

Khi đọc 3 cuốn sách 

Peter Woit  Not even Wrong

Lee Smolin The trouble with physics

Sabine Hossenfelder Lost in Math leap

ta cảm thấy hình như vật lý “cơ bản”  có vấn đề .Song có phải như vậy không ? Thật sự thì  có những lĩnh vực vật lý ngoài phạm vi các vấn đề nêu lên trong 3 cuốn sách trên hoạt động rất tốt  . Đó là vật lý môi trường đông đặc (condensed matter physics) tức vật lý các chất rắn và lỏng, và hiên nạy chúng ta đang ở giai đoạn vàng của vật lý này.

CÓ NHIỀU ĐIỀU ẤN TƯỢNG (MIND-BLOWING) ĐÃ ĐƯỢC HÌNH THÀNH TRONG MTĐĐ.

KHÁI NIỆM LỖ TRỐNG

Chúng ta đã có SM và GR.Đó là những thành tích tuyệt vời song chưa phải là tất cả , Những vấn đề còn bỏ ngỏ như DM (Dark matter). Và có thể nhận xét rằng các vấn đề được xem cơ bản dường như chậm lại từ 1990 . Và những vấn đề gọi là cơ bản đó không phải là vật lý toàn cục và cũng không phải là những vấn đề luôn hấp dẫn hiện nay .Nhiều vấn đề ấn tượng khác đã hình thành trong vật lý môi trường đông đặc.

Trong MTĐĐ người ta biết đủ kiến thức để chế tạo những vật liệu mới  (cả trong phòng thí nghiệm không cần đến những máy gia tốc đồ sộ).

Trước hết hãy bàn về  lỗ trống (hole) : khi một electron rời một chỗ thì ở đấy hình thành một “lỗ” và bây giờ khái niệm lỗ đã tiến triển nhiều  (Paul Dirac 1930) : lỗ là một phản hạt có điện tích đối dấu với điện tích của hạt và có khối lượng .Phát sinh khái niệm phản hạt (đối ngẫu của hạt).

CHÚNG TA ĐANG SỐNG TRONG GIAI ĐOẠN “THIẾT KẾ VẬT CHẤT “

Năm 1931 Werner Heisenberg áp dụng khái niệm lỗ vào MTĐĐ (dẫn đến khái niệm bán dẫn ).Năm 1948 William Shockley tìm ra transistor (sử dụng lỗ và hạt) (Nobel Vật lý ).Phương trình mô tả lỗ tương tự như phương trình mô tả hạt.Như vậy ta hoàn toàn có trhể xem lỗ là một hạt vật chất .

KHÁI NIỆM Á HẠT (QUASIPARTICLE)

Nhờ MTĐĐ người ta biết đến khái niệm á hạt .

Khi electron có điện tích âm còn lỗ có điện tích dương thì chúng hút nhau. Nếu lỗ có khối lượng lớn hơn thì electron có thể chuyển động quanh  lỗ  thì hình thành một nguyên tử nhân tạo gọi là EXCITON.

Hai exciton có thể hợp nhau thành biexciton , ba exciton thành trion.

Một exciton có thể va chạm với photon để thành polariton.

Ở mật độ thấp và nhiệt độ cao exciton hành xử như những nguyên tử trong chất khí, còn ở mật độ cao và nhiệt độ thấp exciton lại hành xử như một chất lỏng . Ở nhiệt độ thấp nữa exciton lại hành xử như “siêu chảy “.

Ngoài exciton các nhà vật lý MTĐ Đ còn nghiên cứu PHONON (á hạt âm thanh), MAGNON (á hạt từ ). Danh sách này có thể nới rộng  thành một danh sách dành cho giới chuyên nghiệp (esoteric).

Các nhà vật lý MTĐ Đ có thể tạo nên vật liệu trong đó ánh sáng chuyển động chậm hơn thông thường .

Họ có thể chế nên vật liệu trong đó ánh sáng chuyển động dường như trong không gian 2 chiều và trong thời gian 2 chiều (trong đó thời gian có thể có hai chiều nơi cách  khác  chuyển đông trong không gian là chuyển động trong mặt phẳng) . 

Nói tóm lại các khả năng của MTĐ Đ chỉ giới hạn bởi trí tưởng tượng của chúng ta (lẽ dĩ nhiên trên cơ sở khoa học ).

Nói chung những vật liệu liệt kê trên là hữu dụng cho cải tiến công nghệ chip  công nghệ PHOTONICS (sử dụng ánh sáng thay vì electron). Công nghệ photonics quan trọng ví dụ để chế tạo màn hình dẹp TV và  các nhà vật lý muốn sử dụng công nghệ này trong máy tính sử dụng ánh sáng . Như vậy các thành tựu này của MTĐĐ gắn liền với công nghệ thiết kế (engineering) và cũng gắn liền với nhiệt động học, entropy .

Nói chung MTĐĐ là nguồn gôc của nhiều ý tưởng mới lạ (blue sky) trong khoa học.

Chúng ta đã biết MTĐĐ lại có mối ánh xạ  đến LTD [2] đến lỗ đen [3]. MTĐ Đ rất hấp dẫn vì rẻ tiền  và vì chứa đựng nhiều vấn đề đang còn bỏ ngỏ.

Nếu ai nghiên  cứu  những vấn đề khác ngoài MTĐĐ hãy khuyến khích họ song nếu ban đọc một công trình hay trong MTĐĐ bạn sẽ thấy vô cùng phấn khởi và hưng phấn sáng tạo vật lý.. 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 

[1] JOHN C. BAEZ,

The joy of condensed matter ( Hard times in fundamental physics got you down?)

https://nautil.us/issue/97/wonder/the-joy-of-condensed-matter

[2] Chi Cao  , Lý thuyết dây và lý thuyết môi  trường đông đặc

https://chicaomodernphysics.blogspot.com/.../day-va-moi...

[3] Chi Cao, Mô hình SYK

https://chicaomodernphysics.blogspot.com/2020/12/mo-hinh-syk.html