Quan sát pha mới trong ngưng tụ Bose-Einstein của các hạt ánh sáng

Khoảng 10 năm trước, các nhà nghiên cứu tại trường đại học Bonn dã tạo ra một kết tập tới hạn trạng thái photon, một đơn hạt “siêu-photon” được tạo ra bằng hàng trăm hạt ánh sáng đơn lẻ, và được thể hiện hoàn toàn thành một nguồn sáng mới.

Trạng thái này được gọi là ngưng tụ Bose-Einstein quang và thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà vật lý bởi thế giới của những hạt mang ánh sáng ngoại lai này là nơi quy tụ nhiều hiện tượng vật lý riêng có. Các nhà nghiên cứu do giáo sư Martin Weitz, người khám phá ra siêu photon, và nhà vật lý lý thuyết là giáo sư Johann Kroha mới có một quan sát mới: pha giảm dao động quá mức (overdamped phase), một chuyển pha chưa từng được biết đến trước đây bên trong ngưng tụ Bose-Einstein.

Nghiên cứu này đã được xuất bản trên tạp chíScience “Observation of a non-Hermitian phase transition in an optical quantum gas”.

Ngưng tụ Bose-Einstein là một trạng thái vật lý cực đoan chỉ xuất hiện một cách bất thường tại các mức nhiệt độ cực thấp. Lúc đó, không thể phân biệt được các hạt trong hệ này, chúng ở cùng một trạng thái lượng tử như nhau; nói theo cách khác, chúng hành xử như một “siêu hạt” khổng lồ. Trạng thái này có thể được miêu tả bằng một hàm sóng.

Năm 2010, các nhà nghiên cứu do Martin Weitz dẫn dắt đã thành công khi lần đầu tiên tạo ra một ngưng tụ Bose-Einstein từ các hạt ánh sáng (các photon). Hệ cụ thể của họ đến giờ vẫn còn hữu dụng: các nhà vật lý bẫy các hạt ánh sáng trong một vật cộng hưởng được tạo ra từ hai gương cong được đặt cách quãng với khoảng cách một micrometer đủ để phản chiếu nhanh một chùm tia ánh sáng chuyển động qua lại. Không gian này được lấp đầy bằng một dung dịch chất nhuộm lỏng được dùng để làm lạnh các photon. Các phân tử chất nhuộm “nuốt” các photon và sau đó bắn chúng ra một lần nữa, qua đó đưa các hạt mang ánh sáng này tới mức nhiệt độ của dung dịch nhuộm – tương đương nhiệt độ phòng. Hệ này có thể làm lạnh các hạt ánh sáng bởi các đặc tính tự nhiên cả chúng là để phân rã khi được làm mát.

Sự phân tách rõ ràng của hai pha

Một chuyển pha là những gì mà các nhà vật lý gọi sự chuyển trạng thái giữa nước và băng trong suốt quá trình đóng băng. Nhưng chuyển pha cụ thể xảy ra giữa hệ các hạt ánh sang bị bẫy như thế nào? Các nhà khoa học giải thích theo cách này: hai tấm gương trong bị mờ là do các photon bị mất và bị thay thế, tạo ra một sự bất cân bằng và kết quả là hệ này không có một nhiệt độ xác định và được đưa vào trạng thái dao động. Điều này tạo ra một chuyển đổi giữa pha dao động và pha tắt. Tắt ở đây có nghĩa là biên độ của dao động suy giảm.

“Pha giảm dao động quá mức mà chúng tôi quan sát được tương ứng với một trạng thái mới của trường ánh sáng”, Fahri Emre Öztürk, một nghiên cứu sinh tại Viện Vật lý ứng dụng tại trường đại học Bonn và là tác giả thứ nhất của công trình, nói. Tính chất đặc biệt này là hiệu ứng của tia laser thường không tách biệt ngưng tụ Bose-Einstein bằng một chuyển pha, và cũng không có ranh giới rõ ràng giữa hai trạng thái này. Điều này có nghĩa là các nhà vật lý có thể chuyển qua chuyển lại giữa các hiệu ứng.

“Dẫu sao, trong thực nghiệm của chúng tôi, trạng thái giảm dao động quá mức của ngưng tụ Bose-Einstein quang được phân tách bằng một chuyển pha từ cả trạng thái dao động và một laser tiêu chuẩn”, giáo sư Martin Weitz, người dẫn dắt nghiên cứu nói. “Điều này chứng tỏ có một ngưng tụ Bose-Einstein là một trạng thái khác biệt với laser tiêu chuẩn. “Nói cách khác, chúng tôi đang xử lý cả hai pha tách biệt của ngưng tụ Bose-Einstein quang”, ông nói.

Các nhà nghiên cứu đang lên kế hoạch áp dụng các phát hiện mới của mình cho những nghiên cứu khác về tìm kiếm các trạng thái mới của trường ánh sáng trong các ngưng tụ ánh sáng đa kết hợp có thể xảy ra trong hệ này. “Nếu các trạng thái rối lượng tử phù hợp trong các ngưng tụ ánh sáng kết hơp thì rất có thể dùng nó cho truyền các thông điệp mã hóa lượng tử giữa nhiều bên tham gia”, Fahri Emre Öztürk dự báo.

Theo Tiasang