SIÊU RẮN Ở NHIỆT ĐỘ PHÒNG
Theo bài báo, năm 1956, Penrose và Onsager đặt ra một câu hỏi lạ lùng: liệu một trạng thái vật chất duy nhất có thể vừa là tinh thể, các hạt của nó xếp thành một mạng đều đặn, vừa là chất ngưng tụ, các hạt của nó chia sẻ chung một sóng lượng tử và chảy không ma sát? Trạng thái như vậy được gọi là siêu rắn (supersolid).
Những dấu hiệu thực nghiệm rõ ràng đầu tiên xuất hiện vào năm 2017, trong các đám mây nguyên tử siêu lạnh, tiếp theo là các khí lượng tử lưỡng cực vỡ thành những dãy giọt đều đặn. Từ đó, các nhà nghiên cứu đã thấy được dao động của chúng, các dãy hai chiều và cả các xoáy lượng tử hóa. Nhưng tất cả những chất siêu rắn này đều chỉ tồn tại ở vài nanokelvin, tức vài phần tỷ độ trên độ không tuyệt đối, và cần thiết bị làm lạnh và chân không cồng kềnh.
Nửa ánh sáng, nửa vật chất
Một cách để né cái lạnh là polariton exciton, một chuẩn hạt lai, một phần là ánh sáng và một phần là vật chất. Vì polariton liên tục được bơm vào và liên tục rò rỉ ra ngoài, chúng có thể duy trì tính kết hợp lượng tử tập thể ở nhiệt độ cao hơn nhiều. Chất ngưng tụ và chất siêu lỏng polariton đã hoạt động ở nhiệt độ phòng trong các vật liệu hữu cơ và perovskit. Một chất siêu rắn polariton gần đây đã được tạo ra trong tinh thể quang tử — nhưng với chất bán dẫn thông thường, ở nhiệt độ cực thấp.
Yuanhao Gong, Jingwen Ma và các đồng nghiệp, do Xiaobo Yin và Xiang Zhang tại Đại học Hồng Kông dẫn dắt, đã kết hợp hai thành phần này. Họ nuôi những đơn tinh thể mỏng của một perovskit chì bromua, MAPbBr₃, chọn một màng dày 70 nanomet, và đặt nó lên một tinh thể quang tử: một lớp silic nitrua được khắc một hoa văn lặp lại sau mỗi 290 nanomet. Hoa văn này định hình cách ánh sáng có thể truyền đi, tạo ra một mode đứng yên chất lượng cao và một cặp mode truyền theo hai chiều ngược nhau.
Hai ngưỡng
Các nhà nghiên cứu bơm năng lượng cho thiết bị bằng các xung laser femto giây và quan sát ánh sáng nó phát ra.
- Ở 13,14 µJ/cm², một chất ngưng tụ hình thành trong mode đứng yên.
- Ở 15,89 µJ/cm², ánh sáng đột nhiên xuất hiện trong hai mode truyền ngược chiều. Chất ngưng tụ đang cấp năng lượng cho chúng qua một quá trình “tham số” phi tuyến — các tác giả cho thấy các đường cong tăng trưởng thay đổi đúng như một quá trình như vậy dự đoán. Việc lấp đầy một cặp sóng ngược chiều phá vỡ tính đối xứng trơn tru, đồng nhất của chất lỏng: đây là khởi đầu của trạng thái siêu rắn.
Phát xạ dưới ngưỡng (a), tại ngưỡng ngưng tụ (b) và tại ngưỡng siêu rắn (c), nơi các đốm sáng xuất hiện ở hai xung lượng ngược nhau ψ₁(±k) tại năng lượng của chất ngưng tụ. — Hình 2, Gong et al. (2026), arXiv:2609.40009.
Một tinh thể không được in sẵn trên chip
Khi chụp ảnh trực tiếp, chất lỏng phát sáng cho thấy những sọc đều đặn cách nhau 3,33 micromet, gần với giá trị dự đoán 3,46. Chu kỳ đó chẳng liên quan gì đến hoa văn 290 nanomet của chip: trật tự này không phải dấu in của cấu trúc được khắc mà nảy sinh từ chính các tương tác. Và nó mềm: khi mật độ tăng, khoảng cách dịch chuyển liên tục.
Để kiểm tra mặt lượng tử, nhóm đã đo mức độ tương quan giữa ánh sáng từ hai mode ngược chiều, dùng hai đầu dò đơn photon. Ở độ trễ bằng không, hệ số tương quan là 1,0121, rất gần 1, dấu hiệu đặc trưng của tính kết hợp giữa hai mode. Trật tự tinh thể và tính kết hợp toàn cục cùng tồn tại: với các tác giả, đó là bằng chứng quyết định về một chất siêu rắn ở nhiệt độ phòng.
Trái: chất siêu rắn trong không gian thực, một hoa văn sọc trải khắp chất ngưng tụ. Phải: tương quan giữa hai mode ngược chiều, 1,0121 ở độ trễ bằng không. — Hình 4, Gong et al. (2026), arXiv:2609.40009.
Từ thủy động lực học đến ánh sáng lượng tử
Thiết bị được điều khiển bằng xung và liên tục mất ánh sáng, nên chất siêu rắn này tồn tại ngoài trạng thái cân bằng, khác với những người anh em nguyên tử của nó. Các bản tiền ấn phẩm trước đó mà các tác giả trích dẫn đã nhắm tới tính siêu rắn ở nhiệt độ phòng; công trình này tuyên bố quan sát trực tiếp được cả hai loại trật tự. Tiếp theo trong danh sách của họ: các hoa văn hai chiều, xoáy siêu rắn, các dao động tiết lộ độ cứng của nó — và, vì chính quá trình tán xạ tạo nên chất siêu rắn cũng là một nguồn ánh sáng phi cổ điển, một nguồn ánh sáng nén và vướng víu nhỏ gọn ngay trên chip.