Làm lạnh bằng vật chất lạnh nhất thế giới

Các nhà vật lý tại Đại học Basel đã phát triển một kỹ thuật làm mát mới cho các hệ thống cơ học lượng tử. Sử dụng một loại khí hơi nguyên tử siêu lạnh, dao động của một tấm màng đã được làm lạnh xuống thấp hơn một độ trên không độ tuyệt đối. Kỹ thuật này có thể tạo khả năng cho các nghiên cứu mới về vật lý lượng tử và phát minh ra các thiết bị đo lường chính xác, theo công trình nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Nature Nanotechnology.

Đám mây nguyên tử siêu lạnh được dùng để làm lạnh dao động cơ của một tấm màng kích cỡ milimet.

Hơi nguyên tử siêu lạnh thuộc loại vật chất lạnh nhất đang tồn tại. Có thể sử dụng các chùm tia laser để bẫy các nguyên tử bên trong một buồng chân không và làm chậm sự chuyển động của chúng xuống đến mức độ rất chậm để đạt được nhiệt độ thấp hơn một phần triệu của một độ trên không độ tuyệt đối, là nhiệt độ mà tại đó tất cả các chuyển động đều dừng lại. Ở nhiệt độ thấp như vậy, các nguyên tử tuân theo các quy luật vật lý lượng tử: chúng di chuyển giống như các gói sóng (wave packet) nhỏ và có thể tồn tại ở những trạng thái siêu vị trí (superposition) tại nhiều nơi cùng một lúc. Các tính năng này đã được khai thác trong các công nghệ như đồng hồ nguyên tử và các thiết bị đo lường chính xác.

Việc sử dụng thành công loại khí hơi cực lạnh này như chất làm lạnh để hạ nhiệt độ của các vật thể xuống nhiệt độ rất thấp sẽ mở ra nhiều khả năng cho nghiên cứu vật lý lượng tử trong các hệ thống mới và có tiềm năng lớn. Vấn đề nảy sinh ở chỗ các nguyên tử có kích thước cực nhỏ ở mức tế vi và thậm chí cả những đám mây nguyên tử lớn nhất được tạo ra, trong đó chứa vài tỷ nguyên tử siêu lạnh cũng vẫn chứa được ít các hạt hơn rất nhiều so với một vật thể chỉ nhỏ như một hạt cát. Kết quả là, khả năng làm mát của các nguyên tử này bị hạn chế.

Một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc trường Đại học Basel do giáo sư Philipp Treutlein dẫn đầu giờ đây đã thành công trong việc sử dụng các nguyên tử siêu lạnh để làm mát các dao động của một tấm màng kích cỡ milimet. Tấm màng bằng silic nitrua này có độ dày 50 nm, dao động lên xuống như một mặt trống nhỏ hình vuông. Các dao động cơ như vậy không bao giờ tắt hoàn toàn, bởi dao động nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ của vật thể. Mặc dù tấm màng chứa số lượng các hạt nhiều hơn đến một tỷ lần so với đám mây nguyên tử, nhưng đã quan sát thấy một hiệu ứng làm mát mạnh, hạ thấp nhiệt độ dao động màng xuống đến dưới 1 độ trên không độ tuyệt đối.

"Bí quyết ở đây là tập trung toàn bộ khả năng làm mát của các nguyên tử vào chế độ rung của màng", theo Tiến sĩ Andreas Jöckel, một thành viên của nhóm dự án giải thích. Sự tương tác giữa các nguyên tử và tấm màng được tạo ra thông qua một chùm tia laser. Tia sáng laser tác động lực lên tấm màng và các nguyên tử. Dao động của tấm màng làm thay đổi lực tia sáng tác động lên các nguyên tử và ngược lại. Tia laser có thể truyền hiệu ứng làm lạnh qua khoảng cách vài mét, vì vậy mà đám mây nguyên tử không nhất thiết phải tiếp xúc trực tiếp với tấm màng. Sự kết cặp này được khuếch đại bằng một cộng hưởng quang gồm hai gương, với tấm màng được đặt xen vào giữa.

Trên lý thuyết, các hệ thống sử dụng ánh sáng để kết cặp các nguyên tử siêu lạnh với các bộ dao động cơ đã được đề xuất. Và thí nghiệm tại Đại học Basel là công trình được thực hiện thực hiện lần đầu tiên trên thế giới đã hiện thực hóa một hệ thống như vậy và dùng nó để làm lạnh bộ dao động. Các cải tiến kỹ thuật tiếp theo sẽ có khả năng làm lạnh dao động màng xuống đến trạng thái cơ học lượng tử cơ bản.

Đối với các nhà nghiên cứu, việc làm lạnh tấm màng bằng nguyên tử siêu lạnh chỉ là bước đầu tiên, tính chất lượng tử dễ kiểm soát của các nguyên tử kết hợp với tương tác nhờ ánh sáng đang mở ra những khả năng mới về kiểm soát lượng tử. Điều này có thể cho phép tiến hành các thí nghiệm vật lý lượng tử cơ bản bằng một hệ thống cơ học kích thước tương đối lớn ở cấp độ vĩ mô, có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Nó cũng có thể giúp tạo ra những trạng thái tương tác giữa các nguyên tử và màng. Điều đó sẽ cho phép đo được những dao động màng với độ chính xác chưa từng có, và dẫn đến phát triển các loại cảm biến mới để đo lực và trọng lượng rất nhỏ.

Theo Vista.gov.vn