Treo lượng tử – công nghệ bay đột phá cho tương lai

Thiện Tâm
•
Thứ Tư, 20/05/2020

Một miếng vật liệu siêu dẫn rất mỏng có thể treo vật thể nặng hơn nó 70.000 lần trong không trung với quỹ đạo vô cùng ổn định. Đây là công nghệ treo lượng tử, hứa hẹn sẽ là công nghệ bay đột phá của tương lai.

Trước hết chúng ta hãy xem một đoạn video ngắn được quay tại gian hàng của Đại học Tel Aviv, Israel, trong khuôn khổ hội thảo ASTC thường niên năm 2011 diễn ra tại Trung tâm Khoa học Maryland ở Baltimore, Hoa Kỳ.

Trong video này, ta thấy một tấm vật liệu siêu dẫn được làm lạnh bởi Nitơ lỏng ở nhiệt độ cực thấp có thể được treo lơ lửng trong không khí, cách miếng nam châm một khoảng không nhất định.

Khi miếng vật liệu siêu dẫn này được treo lơ lửng trong không khí, nó có thể được cố định ở các vị trí khác nhau bất kỳ: song song với mặt đất, tạo thành một góc bất kỳ với mặt đất. Khi được đặt gần một nam châm tròn có đường sức từ tạo thành vòng tròn, miếng vật liệu siêu dẫn này có thể xoay tròn. Hoặc khi nó được đặt trên đường ray tạo thành vòng tròn bởi một loạt các cục nam châm thường, nó sẽ có thể chạy trên đường ray.

Điều đặc biệt là, tấm vật liệu siêu dẫn có thể treo cố định trong không khí kể cả khi nó nằm dưới các cục nam châm vĩnh cửu.

Hiện tượng này được gọi là treo lượng tử (quantum levitation) hay khóa lượng tử (quantum trapping). Chúng ta giải thích hiện tượng này như thế nào?

Vật liệu nghịch từ siêu dẫn và hiệu ứng Meissner

Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng một số vật liệu khi ở nhiệt độ nhỏ hơn một “nhiệt độ tới hạn” nhất định thì điện trở suất của nó đột ngột giảm xuống bằng 0.

Năm 1933, Meissner và Ochsenfeld phát hiện ra hiện tượng các đường sức từ của từ trường bên ngoài bị đẩy ra khỏi chất nghịch từ khi làm lạnh những chất này đến trạng thái siêu dẫn. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng Meissner:

Với các vật liệu nghịch từ bình thường, dòng điện bề mặt Foucault có xu hướng chống lại nguyên nhân sinh ra nó (trong trường hợp này là chuyển động tương đối giữa từ trường và vật liệu) sẽ yếu đi nhanh chóng do điện trở bên trong các vật liệu. Tuy nhiên vì vật liệu siêu dẫn không có điện trở, dòng Foucault sinh ra không bị suy giảm. Do đó từ trường phụ được tạo ra cũng không suy giảm và nó gần như hoàn toàn triệt tiêu từ trường bên ngoài trong bản thân vật liệu. Khi đó từ trường trong lòng chất siêu dẫn gần như bằng 0 và bị “đẩy” hoàn toàn ra ngoài. Điều này khiến cho các vật liệu siêu dẫn có thể lơ lửng trong không khí cách nam châm một đoạn.

Điều thú vị là trong video bên trên, vị trí của miếng vật liệu siêu dẫn có thể được thay đổi rất dễ dàng – dùng tay mà thay đổi nó. Nhưng ở vị trí nào đi nữa thì nó cũng rất ổn định, như bị ghim hay khóa vào một điểm nào đó vậy. Vậy nguyên nhân là gì?

Hiệu ứng treo lượng tử

Theo các nhà khoa học Israel, nếu vật liệu siêu dẫn đẩy hoàn toàn từ trường bên ngoài ra ngoài vật liệu, nó có thể bay lên, nhưng vị trí và quỹ đạo của nó sẽ không ổn định do nó luôn cố gắng bay lên để tránh các đường sức từ trường ngoài. Vật liệu siêu dẫn loại này được gọi là chất siêu dẫn loại I.

hieu ung Meisnera.svg — Với vật liệu siêu dẫn loại I, đường sức từ bên ngoài đi thẳng khi nhiệt độ môi trường lớn hơn nhiệt độ tới hạn của hiện tượng siêu dẫn (T>Tc). Đường sức từ bên ngoài đi vòng khi nhiệt độ môi trường nhỏ hơn nhiệt độ tới hạn của hiện tượng siêu dẫn (T<Tc)

Với vật liệu siêu dẫn loại II, từ trường bên ngoài sẽ không hoàn toàn bị triệu tiêu, mà vẫn còn một lượng rất nhỏ các đường sức từ xuyên vào vật liệu. Và những đường sức từ bên trong vật liệu siêu dẫn này tồn tại dưới dạng hạt, đây là một hiện tượng của vật lý lượng tử. Những “hạt đường sức từ” này được gọi là fluxon hay còn được gọi là các xoáy lượng tử (quantum vortex), chúng hoạt động như những hạt lượng tử riêng lẻ.

Ở vị trí các “hạt đường sức từ” này, tính chất siêu dẫn của vật liệu bị phá hủy cục bộ. Bất kỳ chuyển động trong không gian nào của vật liệu siêu dẫn cũng khiến cho các “hạt đường sức từ” di chuyển, để tránh việc các “hạt đường sức từ” di chuyển lung tung và phá hủy trạng thái siêu dẫn của toàn bộ vật liệu, vật liệu siêu dẫn sẽ tự khóa hay ghim chặt vị trí của nó trong không gian 3 chiều, qua đó giữ cho vị trí của các “hạt đường sức từ” thông không bị thay đổi. Nhờ đó mà bản thân vật liệu này có thể treo ổn định trong không gian 3 chiều.

Hình ảnh phóng to dưới kính hiển vi của các đường sức từ hoạt động như những hạt lượng tử và bị ghim lại trong vật liệu siêu dẫn loại II (nguồn: quantumlevitation.com):

Treo lượng tử - công nghệ bay đột phá cho tương lai — Miếng vật liệu siêu dẫn loại II tự ghim chặt vị của nó trong không gian 3 chiều để đảm bảo trạng thái siêu dẫn của nó không bị phá hủy (nguồn: quantumlevitation.com)

Ứng dụng của hiện tượng khóa lượng tử

Lý thuyết về 2 loại vật liệu siêu dẫn đã được phát hiện từ năm 1950. Tuy nhiên, mãi sau này các nhà khoa học mới có điều kiện nghiên cứu sâu về chúng. Năm 2003, lý thuyết về các vật liệu siêu dẫn đã được trao giải Nobel vật lý.

Mặc dù các hãng sản xuất tàu siêu tốc ở Nhật Bản đã ứng dụng lý thuyết siêu dẫn vào việc chế tạo tàu siêu tốc, có thể đạt đến tốc độ gần 600km/h, tuy nhiên đó vẫn chưa phải là công nghệ treo lượng tử (quantum levitation), mà đó vẫn là công nghệ treo trên đệm từ (Maglev – Magnetic Levitation).

Theo các nhà khoa học đến từ Đại học Tel Aviv, Israel, miếng vật liệu siêu dẫn được sử dụng trong video clip giới thiệu chỉ dày có 0,5 micromet. Nhưng nó có thể nâng một vật thể nặng hơn nó 70.000 lần. Có nghĩa là, một miếng vật liệu siêu dẫn loại II có đường kính 3 inch (7,62cm) và dày 2mm có thể nâng được một chiếc xe con nặng 1 tấn.

quantum levitation 2 — Ảnh chụp một lực sĩ Sumo nặng 142kg được nâng lên nhờ hiệu ứng treo lượng tử tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu siêu dẫn, ISTEC, Tokyo, Nhật Bản (nguồn:http://www.chem.msu.su)

Cho đến nay, trở ngại lớn nhất của việc ứng dụng vật liệu siêu dẫn và hiệu ứng khóa lượng tử là việc tìm ra các vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao. Hầu hết các vật liệu chỉ ở trạng thái siêu dẫn ở nhiệt độ cực kỳ thấp. Sau rất nhiều năm nỗ lực, đến nay vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ cao nhất mà các nhà khoa học mới tìm được là 200oK, tương đương -75oC.

Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của khoa học, rất có thể trong tương lai, một vật liệu siêu dẫn ở nhiệt độ phòng có thể được tìm thấy, khi đó việc ứng dụng hiệu ứng treo lượng tử để nâng các vật thể bay lên một cách đơn giản, tiết kiệm năng lượng sẽ không có gì khó khăn.

Liệu người xưa có ứng dụng hiệu ứng treo lượng tử để nâng các vật thể nặng?

Chúng ta từng thắc mắc rất nhiều lần vì sao con người tiền sử ở những nền văn minh đã lụi tàn có thể di chuyển được những vật liệu siêu nặng như tượng đài bằng đá granite nguyên khối dài 42m, nặng khoảng 1.200 tấn tại khu mỏ đá ở Aswan, Ai Cập hay bức tượng bằng đá có tên Gommateshwara ở Shravanabelagola, Ấn Độ nặng 1.000 tấn.

Unfinished Obelisk — Làm thế nào mà người tiền sử có thể di chuyển được tượng đài bằng đá granite nặng 1.200 tấn đang được chế tác dở ở mỏ đá Aswan, Ai Cập. (nguồn: luxorandaswan.org)

Nhưng nếu chúng ta biết rằng các nền văn minh tiền sử có trình độ công nghệ rất cao, thậm chí cao hơn nhiều so trình độ công nghệ của chúng ta hiện nay, thì họ có thể đã làm chủ công nghệ treo lượng tử (quantum levitation) và sử dụng công nghệ đó để di chuyển những công trình đá nặng hàng ngàn tấn. Điều này tuy khó tin nhưng vẫn hoàn toàn hợp logic.

Nhưng không chỉ là giả thuyết, mà manh mối về điều này có thể được tìm thấy ngay trong ngôi đền có bức tượng bằng đá Gommateshwara ở Shravanabelagola, Ấn Độ. Gần với bức tượng Gommateshwara, có một bức tượng tạc một vị thần, trong tay vị thần đang giữ một vật hình bầu dục đang lơ lửng trong không khí. Hình ảnh này gợi cho chúng ta rằng công nghệ treo lượng tử có thể đã thực sự được sử dụng để di chuyển bức tượng này từ nơi khác lên đỉnh đồi cao 120m này.