Ứng dụng của tia Laser : Đông lạnh nguyên tử ppt

Thật vậy, những nhà vật lý đã thành công trong việc dùng tia laser để làm lạnh những nguyên tử gần không độ tuyệt đối -chưa tới một phần triệu độ Kelvin-Ở nhiệt độ này, thay vì chúng dao

Ứng dụng của tia Laser : Đông

lạnh nguyên tử

Dùng một chùm tia sáng hướng xạ bằng tia laser để đục lỗ, làm nóng chảy, cắt kim loại hay làm khí giới hủy diệt không còn làm chúng ta ngạc nhiên nữa Ngược lại, dùng tia laser để làm lạnh vật chất mới lạ kỳ Ðúng vậy,

đó là một máy làm lạnh đặc biệt chỉ làm lạnh những nguyên tử khí.

Thật vậy, những nhà vật lý đã thành công trong việc dùng tia laser để làm lạnh những nguyên tử gần không độ tuyệt đối -chưa tới một phần triệu độ

Kelvin-Ở nhiệt độ này, thay vì chúng dao động mọi hướng như ở môi trường bình thường chúng ta đang sống thì chúng bị đông cứng tại chỗ thành một đám mây tuyết mà ta

có thể khảo sát chúng tùy thích trong những điều kiện không thể tưởng tượng cách đây vài năm Kỹ thuật này chắc chắn sẽ tìm ra một ứng dụng như mọi ứng dụng khác

Làm lạnh là gì?Tại sao tia laser lại làm lạnh được nguyên tử?

Ðể hiểu được, chúng ta phải biết thế nào là nhiệt Nếu định nghĩa theo mức

độ vi mô (niveau microscopique) thì đó là do sự lay động điên cuồng của những hạt nguyên tử Trong chất rắn, những nguyên tử dao động xung quanh vị trí mà chúng được giữ lại do những lực cố kết bên trong (forces de cohésion interne)

Trong chất khí, chúng di chuyển hỗn độn khắp mọi phía với vận tốc đáng kể,

từ vài trăm mét đến vài cây số một giây từ thành này qua thành khác của vật chứa nó

Làm giảm nhiệt độ tức là làm giảm độ dao động nhiệt này Ở không độ tuyệt đối sẽ là sự bất động hoàn toàn Do đó làm lạnh một chất khí có nghĩa là hãm bớt

sự hoạt động thất thường của chúng

Áp suất bức xạ (Pression de radiation)

Áp suất bức xạ là một sức ép thực sự do tác dụng của ánh sáng trên vật chất

Tia laser , dưới những điều kiện nào đó, có thể làm nguyên tử dao động chậm lại nhờ áp suất bức xạ Ðể biết khái niệm về áp suất bức xạ, chúng ta quay về quá khứ thật xa xưa trước khi có tia laser và chúng ta nhớ lại rằng đầu thế kỷ XII, Kepler đã nghi ngờ có sự hiện diện của một lực khi ông thấy cái đuôi của sao chổi luôn luôn nằm vị trí đối diện với mặt trời Ông giải nghĩa rằng nó bị áp suất bức xạ của ánh sáng mặt trời đẩy ra xa Thật ra hướng đuôi sao chổi được hình thành do nhiều hiện tượng phức tạp, nhưng áp suất bức xạ đã gây sự chú ý của các nhà vật

lý hơn bao giờ hết Ðó là Einstein vào đầu thế kỷ thứ XX đã giải thích lần đầu tiên khái niệm này bằngthuyết Lượng Tử, nghĩa là ánh sáng được cấu tạo bởi các phần

tử gọi là quang tử (photon) Một tấm đục mờ (hay phản chiếu) nếu được chiếu bởi ánh sáng đủ mạnh sẽ bị một loạt photon "oanh tạc" đến độ có thể làm cho tấm đó

di động nếu nó khá nhẹ

Ðẩy và làm chậm dao động nguyên tử bằng tia laser

Cũng như tấm đục (paroi opaque) đó, các nguyên tử của chất khí hấp thu tia laser sẽ chịu một cú "sốc" và nhận một lực đẩy (xung động, impulsion) theo hướng của ánh sáng tới Một nguyên tử đứng yên đặt trước chùm tia laser sẽ bị đẩy về hướng truyền của chùm tia với một lực lớn đến nỗi làm cho nguyên tử gia tăng tốc lực đến 1 cây số 1 giây trong vòng một phần ngàn giây Kết quả lạ lùng này không phải do một photon, vì 1 photon sẽ cho nguyên tử một cú sốc rất yếu Muốn như trên, phải có sự lập đi lập lại nhiều lần Nguyên tử nhận nhiều cú sốc vì nó hấp thu nhiều photon

Nhưng nguyên tử không thể hấp thu vô số photon mãi được Thật ra, mỗi lần hấp thu một photon thì nó lại phát ra trở lại một photon khác, gọi là photon hùynh quang (fluorescence), giống y như photon mà nó vừa hấp thu, nhưng nó

sẽ đi ra theo môt hướng nào đó Mỗi lần phát ra một photon, nguyên tử lại thụt lùi một chút, giống như khẩu súng bị giựt thụt lùi khi bắn ra một viên đạn Nhưng vì những photon huỳnh quang văng ra tứ phía không định hướng nên tổng hợp mọi lực lại sẽ triệt tiêu

Ðiểm chính yếu là phải làm cho nguyên tử hấp thu photon Muốn được như vậy, phải điều chỉnh làm sao cho tần số của photon phù hợp với một trong những tần số riêng của nguyên tử ( la fréquence des photons soit ajustée de manière à

correspondre à une des propres fréquences de l'atome) Chính trong những điều kiện này mà người ta đẩy một nguyên tử một cách hiệu quả.

Nếu bây giờ ta phóng thật nhanh các nguyên tử để gặp chùm tia laser, ta có thể làm chậm chúng lại, chận đứng hay ngay cả làm cho chúng quay ngược trở lại Thí nghiệm làm chậm nguyên tử này được thực hiện lần đầu tiên vào năm

1985 bởi hai ê kíp người Mỹ

Hiệu ứng Dopler

Hiệu chính một thí nghiệm như vậy kéo theo thêm một khó khăn: hiệu ứng Doppler Ðó là một hiện tượng rất phổ quát tạo ra cho âm thanh, cho sóng ánh sáng khi nguồn đang chuyển động so với người quan sát Chẳng hạn tiếng còi tàu

có vẻ cao hơn khi tàu tiến gần tới và trầm hơn khi tàu xa dần Tần số những

photon mà người quan sát (hay nguyên tử) đang chuyển động khác với tần số

mà tia laser phát ra

Từ sự giảm tốc độ cho đến sự làm lạnh

Nhưng đến đây thì những thủ tục trên chỉ làm chậm lại những nguyên

tửđang bay nhanh khủng khiếp trong một tia phóng Bây giờ làm sao làm lạnh một hơi nóng mà nơi đó các nguyên tử chạy tán loạn vô phương hường với tốc độ rất lớn?

Kết hợp nhiều tia laser

Thiết bị thích đáng được đề nghị từ năm 1976 bởi hai nhà vật lý của đại học Stanford là dùng nhiều chùm tia laser Ta có thể hiểu được cách hoạt động của chúng bằng cách quan sát dọc theo đường thẳng trên đó người ta phát hai chùm tia laser y hệt nhau, lan truyền theo hướng ngược nhau Ðiều chỉnh làm sao cho tần số các tia laser thấp hơn tần số riêng của nguyên-tử-đang-chuyển-động một chút

Với 6 chùm tia laser, đối nhau từng cặp một theo 3 hướng trong không gian:

áp suất bức xạ sẽ đi ngược lại với chuyển động của nguyên tử cho dù chúng có chạy qua bên phải, bên trái hay lên trên, xuống dưới hoặc ra đằng trước hay đằng sau Nguyên tử bấy giờ bị phanh lại rất mạnh mẽ cho dù nó đi đâu đi chăng nữa

Nó như đang di chuyển trong một dung dịch rất nhờn mà người ta gọi là mélasse optique Mélasse optique làm lắng dịu lại sự sôi động nhiệt của những nguyên tử

và làm chúng đông lạnh hoàn toàn, tại chỗ

Thí nghiệm lần đầu tiên tại phòng thí nghiệm AT&TBell tại Hoa Kỳ năm

1985 cho ra những nguyên tử có nhiệt độ dưới một phần ngàn độ Kelvin, tượng trưng với vận tốc trung bình vài chục centimét/giây Và sự hãm vận tốc này được thực hiện trong phần ngàn giây

Vài năm sau lần thí nghiệm đầu tiên về mélasse optique, năm 1990, một ê kíp người Pháp đã đoạt kỷ lục gần không độ tuyệt đối : 2µK tức là chỉ cao hơn 0K

có 2 phần triệu độ!

Sự phát triển lớn trong lãnh vực thực nghiệm kèm theo những tiến bộ quan trọng về lý thuyết nhờ những ê kíp Mỹ và Pháp

Nếu dựa trên căn bản lý luận như trình bày ở trên về cơ chế làm lạnh, còn gọi là "mélasse Doppler", người ta có thể tính được nhiệt độ giới hạn mà không thể nào xuống thêm được Lực ma sát của mélasse làm các nguyên tử bất động hoàn toàn, vì bị ngăn trở khi những nguyên tử bị khá lạnh do sự phát xạ photon huỳnh quang như ta đã nói ở trên Do sự thụt lùi mỗi khi phát ra photon

fluorescens một cách tình cờ, và khắp mọi hướng cộng với sự ma sát mà nguyên

tử chỉ còn một sự khuấy động tuy còn sót lại chút ít nhưng nó làm cho giới hạn nhiệt độ còn 200µ°K

Ngay cả những lần thí nghiệm đầu tiên, giới hạn đó gần đạt tới, rồi thì giới hạn càng tiến xa hơn dự tính Theo những nhà vật lý thì còn những cơ chế khác đó

là hiệu ứng cơ học của ánh sáng, độc lập với áp suất bức xạ

Làm lạnh tốt hơn nhờ đặc tinh sóng của ánh sáng

Sóng ánh sáng tạo cho nguyên tử một hình nổi thật sự do những chỗ lồi lõm của nó Nguyên tử đã bị chậm lại bởi hiệu ứng mélasse rồi còn phải lên xuống những chỗ lổi lõm Người ta còn sắp đặt cho nguyên tử lên nhiều hơn là xuống để

nó mất nhiều năng lượng và bị kẹt trong chỗ lõm, nơi đó nó ở nhiệt độ rất thấp

Cái bẫy cho những nguyên tử siêu lạnh

Những mélasse de photons làm lạnh các nguyên tử ở nhiệt độ rất thấp,

nhưng chúng chưa thực thụ bị giam hãm Chúng còn đi được vận tốc vài

phân mỗi giây theo đường chữ z (zigzag), lộn xộn không theo phương hướng nào

cả vì mỗi lần nó gặp một photon là nó đổi hướng Tuy vậy không gì ngăn cản nó đi

về hướng mép của mélasse (tạo thành bởi vùng giao nhau của 6 chùm tia laser) để trốn chạy Nghĩa là người ta phanh nó lại nhưng không bẫy nó được

Ðể giải quyết vấn đề bất tiện này, những nhà nghiên cứu Pháp đề nghị hoàn thiện mélasse bằng cách thêm vào một từ trường cho 6 chùm tia

Ghép đôi laser-từ trường

Từ trường làm thay đổi cơ cấu trong nguyên tử và tần số riêng của chúng Do

đó có một sự thay đổi áp suất bức xạ mà những photon gây trên nó Với một từ trường thay đổi chung quanh một tâm điểm, người ta có thể điều chỉnh được áp suất bức xạ như thế nào để áp suất đưa các nguyên tử vô giữa trung tâm trong lúc vẫn tạo được hiệu ứng mélasse

Ðể chất đầy nguyên tử lạnh vô bẫy , thoạt đầu các nhà nghiên cứu dùng một tia nguyên tử (jet d'atomes) đã được làm chậm Nhưng sau đó họ nhận thấy rằng những nguyên tử đến trung tâm quá dễ dàng, ngay cả khi tia nguyên tử không hướng về phía trung tâm Do đó họ nghĩ rằng họ có thể chụp bắt được nguyên tử trong những điều kiện khó khăn hơn Họ liền đặt cái bẫy ở giữa một vật chứa khí nguyên tử bằng thuỷ tinh, ở nhiệt độ thường Bẫy tốt đến nỗi nó bẫy luôn những

nguyên tử gần trung tâm và làm lạnh chúng và giữ chúng ở tình trạng lơ lửng: sau khoảng một phần mấy giây, nhiều nguyên tử dính kết lại thành một đám mây nhỏ, sáng mà tỉ trọng gấp ngàn lần chất khí Ngoài ra những nguyên tử này rất lạnh trong lúc nguyên tử chât khí thì nóng

Thí nghiệm này khởi đầu được thực hiện với những nguyên tử Césium và tia laser có độ dài sóng 850nm tương đương với màu đỏ sậm, chỉ thấy vừa phải không

rõ, gần như infrarouge Ðể nhìn thấy rõ mây (nguyên tử lạnh), nên dùng caméra infrarouge Người ta cũng làm thí nghiệm với những nguyên tử Natri và tia laser màu vàng với độ dài sóng là 690 nm

Trong hai trường hợp, ta thấy rất rõ mây tạo thành ngay khi mới vừa cắm máy laser

Mây chiếu sáng là do các các nguyên tử phát các photon huỳnh quang ra

khắp mọi nơi Số nguyên tử bị mắc bẫy có khoảng 100 triệu đến 1 tỉ cho đám mây

có đường kính vài milimét

Những nguyên tử lạnh bi mắc bẫy dùng để làm gì?

Những nguyên tử lạnh bị bẫy mở ra những triển vọng mới cho ngành vật lý dùng nhiệt độ rất thấp Các nguyên tử rất lạnh này sẽ tự đông đặc thành mạng đều đặn hay tích tụ dưới những hình thức khác như trạng thái lạ lùng của vật chất

mà Bose và Einstein đã tiên đoán năm 1925 nhưng chưa bao giờ được quan sát cho đến ngày nay

Bẫy nguyên tử phóng xạ

Các nhà vật lý đã bẫy những loại nguyên tử khác nhau Nhiều ê kíp nghiên cứu chuyện bẫy các nguyên tử phóng xạ đặc biệt những loại hiếm Khi chúng bị bẫy,

ta có thể bắt chúng đứng yên để quan sát

Bẫy những phản vật chất

Ý tưởng lạ lùng nhất là chứa những phản vật chất trong bẫy Thường thì những phản phật chất bị tiêu tan với vật chất cho nên ta không thể chứa chúng trong đồ đựng bình thường Bẫy phải được cấu tạo bởi một hộp phi vật chất

(immatériel) trong đó phản vật chất được chứa một cách an toàn