Các quy tắc lượng tử và va chạm phân tử ngày càng trở nên rõ nét, mở ra hướng đi mới mẻ cho các nghiên cứu trong lĩnh vực hóa học và khoa học vật liệu.Khi các phân tử va chạm với bề mặt, một quá trình trao đổi năng lượng phức tạp diễn ra giữa chúng và các nguyên tử tạo nên bề mặt. Quá trình này không chỉ liên quan đến những hiện tượng vật lý thông thường mà còn bị chi phối bởi cơ học lượng tử, lĩnh vực khoa học vừa kỷ niệm 100 năm thành lập.

Can thiệp lượng tử là hiện tượng trong cơ học lượng, đóng vai trò quan trọng trong nhiều công nghệ hiện đại. Nó xảy ra khi các con đường khác nhau mà một phân tử có thể đi chồng lên nhau, dẫn đến những mô hình tương tác cụ thể: một số con đường khuếch đại lẫn nhau, trong khi những con đường khác lại hủy bỏ hoàn toàn. "Vũ điệu sóng" này cũng ảnh hưởng đến cách các phân tử trao đổi năng lượng và động lượng với bề mặt, và cuối cùng tác động đến hiệu quả của các phản ứng hóa học xảy ra.

Nhưng cho đến nay, việc quan sát sự can thiệp lượng tử trong các va chạm bề mặt với các phân tử nặng hơn như methane (CH4) gặp rất nhiều khó khăn do có quá nhiều con đường tương tác có sẵn mà hệ thống có thể đi qua, dẫn đến các kết quả va chạm khác nhau.

Một câu hỏi được đặt ra là liệu các hiệu ứng lượng tử có bị "rửa trôi" trong những quá trình này không, tức là liệu chúng có thể mất đi và không còn ảnh hưởng trong các tương tác với các phân tử nặng hơn. Nếu đúng như vậy, các định lý và nguyên lý vật lý cổ điển, vốn áp dụng tốt cho các vật thể có kích thước vĩ mô mà chúng ta gặp hàng ngày, có thể đủ để mô tả các quá trình này mà không cần phải dựa vào các hiệu ứng lượng tử phức tạp.

Nhóm nghiên cứu của Rainer Beck tại EPFL, hợp tác với các đồng nghiệp từ Đức và Hoa Kỳ, đã tìm ra cách để giải quyết thách thức lớn trong việc quan sát giao thoa lượng tử trong các va chạm bề mặt của mêtan. Bằng việc phát triển một phương pháp mới giúp giảm bớt sự phức tạp của quá trình này, họ có thể điều chỉnh các phân tử mêtan thành các trạng thái lượng tử cụ thể, sau đó phân tán chúng ra khỏi bề mặt vàng (Au). Cuối cùng, họ đo lường và phân tích trạng thái của chúng sau mỗi vụ va chạm.

Phương pháp này không chỉ mang lại những hiểu biết sâu sắc về các hiện tượng cơ học lượng tử mà còn mở ra các hướng nghiên cứu mới trong việc nghiên cứu tương tác giữa các phân tử và bề mặt trong các điều kiện lượng tử đặc biệt.

Các kết quả được công bố trên tạp chí Science đã làm sáng tỏ các mô hình cụ thể về sự giao thoa lượng tử, thách thức các giả thuyết truyền thống về hành vi phân tử và mở ra những phương pháp mới để nghiên cứu các tương tác này.

Nhóm nghiên cứu đã không sử dụng bất kỳ khối vàng nào làm bề mặt phân tán, mà thay vào đó họ đã chọn một mẫu vàng được nuôi cấy cẩn thận để hình thành tinh thể hoàn hảo. Sau đó, họ cắt mẫu vàng theo một hướng đặc biệt để tạo ra bề mặt “Au(111)” với độ mịn nguyên tử và tính chất hóa học ổn định. Trong các thí nghiệm, nhóm nghiên cứu còn duy trì điều kiện chân không cực cao để tránh ô nhiễm từ các hạt khí có trong môi trường bình thường, đảm bảo độ chính xác cao cho kết quả nghiên cứu.

Bề mặt Au(111) có độ phẳng và độ sạch đặc biệt, điều này đảm bảo rằng hiện tượng tán xạ quan sát được là do các yếu tố sóng lượng tử cơ bản, thay vì bị ảnh hưởng bởi tạp chất hay bất thường ngẫu nhiên trên bề mặt. Nhờ vậy, nhóm nghiên cứu có thể tập trung hoàn toàn vào các hiệu ứng giao thoa.

Các nhà nghiên cứu đã áp dụng một kỹ thuật laser để kiểm soát chính xác trạng thái lượng tử của các phân tử mêtan, trước khi chúng va chạm với bề mặt vàng. Sau đó, họ đo lường các trạng thái lượng tử mà các phân tử mêtan chiếm giữ sau khi va chạm. Các phân tử mêtan tồn tại tự nhiên trong hỗn hợp các trạng thái năng lượng khác nhau, khiến cho các rung động và vòng quay của chúng thay đổi liên tục. Để đảm bảo rằng tất cả các phân tử mêtan bắt đầu ở cùng một trạng thái lượng tử đã được xác định, các nhà nghiên cứu đã bắn một tia laser để bơm kích thích chùm phân tử mêtan vào một trạng thái lượng tử xác định trước.

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã hướng chùm phân tử metan vào bề mặt Au(111) nguyên sơ, nơi chúng va chạm và phân tán. Sau các va chạm này, họ sử dụng tia laser gắn thẻ được điều chỉnh ở các mức năng lượng cụ thể để chiếu vào các phân tử bị phân tán. Nếu một phân tử ở trạng thái lượng tử phù hợp, nó sẽ hấp thụ năng lượng từ tia laser, tạo ra sự thay đổi nhỏ về nhiệt độ của phân tử tán xạ. Sự thay đổi nhiệt độ này sau đó được đo bằng một máy dò cực kỳ nhạy gọi là máy đo bức xạ bolometer.

Các nhà khoa học đã áp dụng phương pháp này để nghiên cứu trạng thái lượng tử mà các phân tử metan đạt được khi va chạm với bề mặt vàng. Khi đối chiếu kết quả thu được với lý thuyết lượng tử, họ nhận thấy rằng tính đối xứng đóng vai trò quyết định trong việc xác định các chuyển đổi nào là được phép và các chuyển đổi nào bị cấm.

Tính đối xứng trong vật lý lượng tử là khái niệm mô tả cách các trạng thái của hệ thống không thay đổi khi bị tác động bởi các phép biến hình như lật, quay hoặc phản xạ. Tong thế giới lượng tử, tính đối xứng còn quan trọng hơn, những thay đổi này phải tuân theo các quy tắc đối xứng nghiêm ngặt.

Khi hai trạng thái của phân tử mêtan không có tính đối xứng tương thích, quá trình chuyển đổi giữa chúng sẽ không xảy ra do các con đường tương tác với nhau và sẽ triệt tiêu lẫn nhau. Ngược lại, nếu các trạng thái có tính đối xứng tương thích, các con đường này sẽ khuếch đại nhau, tạo điều kiện cho quá trình chuyển đổi diễn ra mạnh mẽ và dễ nhận thấy hơn. Điều này làm nổi bật tầm quan trọng của giao thoa lượng tử trong việc kiểm soát hành vi phân tử trên bền mặt

Trong bài báo của mình, các tác giả đã sử dụng một phép loại suy thú vị với thí nghiệm khe đôi nổi tiếng, trong đó các hạt như electron tạo ra các mẫu giao thoa khi đi qua hai khe, hoạt động giống như sóng. Tương tự, các phân tử mêtan cũng thể hiện hiện tượng giao thoa này trong nghiên cứu này.

Cụ thể, nghiên cứu này khám phá ra một dạng giao thoa lượng tử mới trong quá trình tán xạ phân tử. Khác với loại giao thoa "khúc xạ" quen thuộc, vốn tác động đến góc tán xạ (như trong thí nghiệm khe đôi), dạng giao thoa này lại ảnh hưởng đến các trạng thái quay và rung động của các phân tử mêtan. Nó có khả năng ngăn chặn một số quá trình chuyển đổi trong khi lại tăng cường những quá trình khác.

Nghiên cứu này giới thiệu một trong những ví dụ rõ ràng nhất về hiệu ứng sóng lượng tử trong tương tác bề mặt phân tử, sau 100 năm cơ học lượng tử ra đời. Những phát hiện này mở ra tiềm năng lớn cho những tiến bộ trong hóa học bề mặt, chất xúc tác năng lượng sạch hơn và các quy trình công nghiệp hiệu quả. Đồng thời, chúng cung cấp một khuôn khổ mới để khám phá các tương tác phân tử, góp phần vào cả khoa học cơ bản và ứng dụng.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/, 6/2025