Nhờ cái ăng-ten hỏng, các nhà khoa học giải được bí mật 58 năm của ngành vật lý

Gần 60 năm trước, nhà vật lý học từng đoạt giải Nobel, Nicolaas Bloembergen, dự đoán sự tồn tại của hiện tượng cộng hưởng điện hạt nhân. Nhưng cũng như nhiều nhà khoa học lỗi lạc khác, nhận xét của ông đi trước thời đại quá nhiều bước, nhận thức của khoa học phải chạy 58 năm ròng mới đuổi kịp.

Bằng chứng về sự tồn tại của cộng hưởng điện hạt nhân vừa mới xuất hiện tại phòng thí nghiệm thuộc Đại học New South Wales (UNSW), Úc; đây không chỉ là phát hiện ngẫu nhiên, mà nó còn tới từ… thiết bị nghiên cứu khoa học bị hỏng. Đột phá này cho phép các nhà khoa học điều khiển được hạt nhân ở mức độ chưa từng có trước đây, và nhiều khả năng sẽ tăng tốc phát triển ngành máy tính lượng tử.

Ý tưởng nằm sau phát hiện này: đó là điều khiển được trạng thái xoay của hạt bằng điện chứ không phải bằng từ trường. Tức là ta có thể tinh chỉnh hạt nhân dễ dàng và chính xác hơn, và dựa trên khả năng này, nhiều ngành khác có thể đạt đột phá chứ không riêng máy tính lượng tử.

Ta có thể điều khiển được trạng thái xoay của hạt bằng điện chứ không phải bằng từ trường.

“Khám phá mới đồng nghĩa với việc ta đã có phương cách xây nên máy tính lượng tử sử dụng trạng thái quay của chỉ một nguyên tử mà không cần tới một từ trường dao động”, nhà vật lý học lượng tử Andrea Morello nhận định.

“Hơn nữa, chúng ta có thể sử dụng những hạt nhân này làm cảm biến chính xác cho điện trường và từ trường, hay để giải thích được những khúc mắc cốt lõi của khoa học lượng tử”.

Trong một số trường hợp, cộng hưởng điện hạt nhân còn có thể thay thế cộng hưởng từ hạt nhân - khái niệm vốn xuất hiện trong nhiều ngành như công nghệ quét toàn thân bằng tia, chế chất hóa học, v.v…

Trước đây, cộng hưởng từ hạt nhân cần một nguồn điện lớn và không gian rộng. Bạn có thể nhìn cỗ máy cộng hưởng từ đa chức năng - fMRI thì rõ. Không chỉ vậy, cộng hưởng từ cũng không phải công nghệ mang tính chính xác cao: nếu bạn muốn điều khiển hạt nhân nguyên tử đơn lẻ - ứng dụng cho máy tính lượng tử hoặc cho cảm biến hiển vi - thì cộng hưởng từ không đem lại hiệu quả cao.

“Tạo ra cộng hưởng từ giống như việc di chuyển một viên bi trên bàn bi-a bằng cách rung lắc cả cái bàn vậy”, giáo sư Morello so sánh. “Bi thì vẫn lăn, nhưng các viên bi khác trên bàn cũng bị ảnh hưởng”.

“Đột phá của cộng hưởng điện nằm ở chỗ đó, như kiểu chúng tôi đã có một cây gậy để chọc bi, đưa nó tới đúng chỗ mình muốn”.

Thứ tự từ trái sang phải: giáo sư Andrea Morello, tiến sĩ Vincent Mourik và tiến sĩ Serwan Asaad.

Trong lúc đang thử nghiệm cộng hưởng từ hạt nhân, các nhà nghiên cứu tại UNSW giải mã được bí ẩn do Bloembergen nêu ra từ năm 1961, mà công lớn thuộc về cái ăng-ten bị hỏng. Sau khi vò đầu bứt tai một hồi lâu về kết quả ngoài dự kiến, các nhà khoa học mới vỡ lẽ: thiết bị của họ lỗi, và kết quả có được là cộng hưởng điện hạt nhân.

Dựng lại quá trình thử nghiệm bằng mô hình máy tính, đội ngũ có thể quan sát được cách điện trường ảnh hưởng tới hạt nhân ở mức nguyên tử, khiến các liên kết nguyên tử quanh hạt nhân méo đi và tự sắp xếp lại.

Giờ họ đã biết rằng cộng hưởng điện hạt nhân tồn tại, họ sẽ tìm ra cách ứng dụng chúng trong thực tế. Danh sách những đột phá khoa học “chẳng may có được” lại dài thêm một dòng.

“Dấu mốc này sẽ mở ra một loạt khám phá và ứng dụng mới”, giáo sư Morello nhận định. “Hệ thống chúng tôi tạo ra đủ phức tạp để nghiên cứu thực tại dưới góc độ lượng tử”.

“Chưa hết, chúng tôi có thể sử dụng hệ thống hiện có để làm ra cảm biến điện từ trường với độ nhạy cao chưa từng có”.

Nghiên cứu đã được đăng tải trên tạp chí Nature.