majorana

Bài viết ngắn này chia sẻ một chút với các bạn một lĩnh vực vật lý mới nổi hiện nay. Lưu ý với các bạn là trong khoa học cụm từ “mới nổi” không có nghĩa là giờ chúng ta mới khám phá ra, mà chủ yếu là những khái niệm đã được đề xuất từ khá lâu, vài chục năm trước hoặc gần một thế kỷ trước. Nên những khái niệm này không có gì là cao siêu như các bạn nghĩ. Tuy nhiên thời điểm hiện tại các nghiên cứu này thu hút được nhiều sự chú ý bởi sử phát triển các công cụ hiện tại cho phép khảo sát tính chất đó, hoặc do nhu cầu thị trường. Ví dụ như pin Lithium, thực ra được Nhật bản chế tạo công nghiệp từ những năm 1990 bởi GS Akira (khi đó mới là thạc sĩ ), 5 năm gần đây nghiên cứu về pin rất nóng do nhu cầu về xe điện, nên các công ty lớn đổ tiền vào nghiên cứu rất nhiều. Hoặc trí tuệ nhân tạo (AI) là một khái niệm rất cũ từ hơn 50 năm trước.

Trong vật lý thì gần đây nổi lên việc tìm kiếm các Majorana, mặc dù khái niệm này đã được đề xuất khoảng hơn 70 năm trước bởi nhà vật lý Majorana, chính xác thì năm 1937. Nghiên cứu này thậm chí còn không đăng trên bất cứ tạp chí chính thông nào như Nature hay PRL. Thậm chí khi đó Enrico Fermi còn thúc giục Majorana công bố lý thuyết của mình, nhưng một năm sau, năm 1938, Majorana mất tích một cách bí ẩn, cho đến tận bây giờ sau hơn 70 năm, nghiên cứu của ông lại sục sôi trở lại. Vậy quay lại câu hỏi chính Majorana là ai và là gì?, tại sao giờ chúng ta lại quan tâm tới Majorana?

– Majorana là ai?
Enrico Fermi đã mô tả về Majorana như sau: Các nhà khoa học có thể phân loại như sau: Hạng hai và hạng ba là những người là việc tận tụy, nhưng không tiến được xa lắm, hạng nhất là những người có những khám phá vĩ đại, đặt nền tảng cho sự phát triển của khoa học. Và cuối cùng là những thiên tài như Galileo và Newton. Vâng Ettore Majorana là một trong những số đó.
Nghe có vẻ hào nhoáng vĩ đại, nhưng sự thật trần trụi của cuộc đời Majorana thì có thể được kể ngắn gọn trong vài dòng. Sinh ra ở Ý, ngày 5 tháng 8 năm 1906, trong một gia đình khá giả. Học hành giỏi, thì qua các cấp bậc học thuật, và trở thành cộng tác viên của Fermi, Heisenberg, viết được một số paper chất lượng cao. Bắt đầu năm 1933 có lẽ là bước ngoặt (như Việt nam mình còn gọi là khủng khoảng tuổi 30), không có việc cố định, viêm dạ dày, sống ẩn dật. Tới những năm 1937, thì ông cho phép Fermi đăng bài báo của mình vài năm trước (dưới tên Majorana), sau đó dưới sự giúp đỡ của Fermi, Majorana đã nộp hồ sơ cho vị trí giáo sư. Ông đã nhận được vị trí này tháng 1 năm 1938. Hai tháng sau đó, ông đã bắt đầu một chuyến đi bí ẩn và mất tích không một dấu vết. Trong cả cuộc đời mình, ông chỉ công bố 9 bài báo ngắn. Trong đó có ít nhất 2 nghiên cứu thuộc loại kiệt tác trong vật lý, một là về spin trong một từ trường, hai là về hiện tượng được đặt theo tên ông “Majorana”, chúng ta sẽ thảo luận về nó sau. Với sự phát triển của internet ngày nay, các bạn có thể đọc toàn bộ những nghiên cứu chưa được công bố của Majorana trong link sau: https://www.springer.com/gp/book/9781402091131

– Majorana là gì?
Một nghiên cứu thiên tài của Majorana là đề xuất một dạng vật chất mới được gọi là fermion Majorana. Một fermion là một hạt có các spin nửa nguyên như điện tử chẳng hạn, trong đó điện tử chỉ có hai trạng thái spin hướng lên và hướng xuống (nghĩa là spin của điện tử = 1/2). Các bạn có thể tưởng tượng như lá bài át cơ trong bộ bài tây chẳng hạn, khi quay 180 độ, nó lại trở về chính nó, do đó spin của nó = 1/2. Còn lá bài át bích, thì phải quay 360 độ, do đó spin của nó = 1. Vì vậy điện tử giống là bài át cơ, còn lá bài át bích thì giống với photon (hạt tạo lên ánh sáng có spin = 1, và không có điện tích). Vậy hạt Majorana là gì, nó là hạt vừa có tính chất spin của điện tử, và có tính chất trung hòa điện của photon. Nghĩa nó có spin = 1/2 và điện tích = 0.

Ah, viết đến đây mình mới thấy để giải thích tại sao Majorana lại thu được hạt này từ việc sửa đổi lại phương trình Dirac, hay tại sao hạt Majorana lại là chìa khóa cho máy tính lượng tử, tại sao siêu dẫn có thể là chìa khóa cho việc săn lùng hạt Majorana, hay lưu trữ hạt Majorana trong một Josephson junctions nó sẽ cần thêm vài bài khác. Nên tạm thời mình dừng bài viết ở đây như “phần 1”, các phần tiếp theo sẽ được viết tiếp trong một note khác. Cám ơn các bạn đã quan tâm, like của các bạn có thể là động lực viết tiếp của mình. Ah quên, một chú thích nhỏ là có thành viên trong VANJ đang nghiên cứu những thách thức trong việc “giăng lưới” hạt Majorana, nếu tóm được, thì đây sẽ là một con cá lớn. 🙂 Vì vậy các bạn hãy tích cực comments để trao đổi thêm.

—- Nguyễn Tuấn Hưng —-