Làm thế nào để làm đông lạnh nguyên tử bằng tia Laser pptx

Làm thế nào để làm đông lạnh nguyên tử bằng tia Laser 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 taphải biết thế nào là nhiệt Nếu định nghĩa theomức độ vi mô (niveaumicroscopique) thì đó là do sự lay động điên cuồng của những hạt nguyêntử. Trong chất rắn, những nguyên tử dao động xung quanhvị trí mà chúng được giữ lại do nhữnglực cố kết bên trong(forces de cohésion interne). Trongchất khí, chúngdi chuyển hỗn độn khắp mọi phía với vận tốc đáng kể, từ vài trămmét đến vài cây số một giâytừ 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 độnghoàn toàn. Dođó làm lạnhmột chất khícó nghĩa là hãm bớt sự hoạt độngthất 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 nhữngđiều kiện nào đó, có thể làm nguyên tử dao động chậm lại nhờ áp suất bức xạ. Ðể biết kháiniệm về ápsuất bức xạ, chúngta quayvề quá khứ thật xaxưa trước khicó tia laservà chúng ta nhớ lạirằngđầu thế kỷ XII, Keplerđã nghingờ có sự hiện diện của một lực khiông thấy cái đuôi của saochổi luôn luôn nằm vị trí đối diện với mặt trời. Ônggiải nghĩa rằng nó bị áp suất bức xạ của ánh sáng mặt trời đẩy raxa. Thật rahướng đuôi sao chổi được hình thành do nhiều hiện tượngphức tạp,nhưng ápsuấtbức xạ đã gây sự chú ý của cácnhà vật lý hơn bao giờ hết. Ðó là Einstein vào đầu thế kỷ thứ XX đã giảithích lần đầu tiên khái niệmnày bằngthuyết LượngTử , nghĩalàánhsángđược cấu tạo bởi các phần tử gọi là quang tử (photon).Một tấm đụcmờ (hay phản chiếu)nếu được chiếu bởi ánh sáng đủ mạnh sẽ bị một loạt photon"oanh tạc" đến độ cóthể làm chotấm đó di độngnếu nó khá nhẹ. Ðẩy và làm chậm dao động nguyên tử bằng tia laser Cũng như tấmđục (paroi opaque) đó, các nguyên tử củachất khí hấp thutia laser sẽ chịu một cú "sốc" và nhận một lực đẩy (xung động, impulsion)theo hướngcủa ánh sáng tới. Mộtnguyên tử đứng yênđặt trước chùm tia lasersẽ bị đẩy về hướng truyền của chùm tia vớimột lựclớnđến nỗilàm cho nguyên tử gia tăng tốc lực đến 1 câysố 1 giây trong vòng mộtphần ngàn giây. Kết quả lạ lùngnày không phảido một photon, vì 1 photon sẽ cho nguyên tử một cú sốc rất yếu. Muốn như trên, phải có sự lập đi lập lạinhiều lần. Nguyên tử nhậnnhiều cú sốc vì nó hấp thu nhiều photon. Nhưng nguyên tử không thể hấp thuvô số photonmãi được. Thật ra,mỗi lần hấp thu một photonthì nó lại phátra trở lạimột photon khác, gọi là photonhùynh quang(fluorescence), giốngy như photon mà nó vừa hấpthu, nhưng nó sẽ đi ra theo môt hướngnào đó. Mỗi lần phát ra một photon,nguyên tử lại thụtlùi một chút,giống như khẩu súngbị giựt thụt lùikhi bắn ra một viên đạn. Nhưng vì những photonhuỳnh quangvăng ra tứ phía khôngđịnh hướng nên tổnghợp mọi lực lại sẽ triệt tiêu. Ðiểm chính yếu làphải làm chonguyên tử hấp thu photon. Muốnđược như vậy, phải điều chỉnh làm sao cho tần số của photonphù hợp với một trong nhữngtần số riêng của nguyên tử.( la fréquencedes photons soitajustéede manière à correspondreà unedespropresfréquences del'atome). Chính trong những điều kiệnnày mà người tađẩymột nguyêntử một cách hiệuquả. Nếu bây giờ ta phóngthật nhanh các nguyên tử để gặp chùmtia laser, ta có thể làm chậmchúng lại, chận đứng hayngay cả làm cho chúng quayngược trở lại. Thí nghiệmlàm chậm nguyên tử này được thực hiện lần đầu tiên vào năm 1985bởi hai ê kíp ngườiMỹ Hiệu ứng Dopler Hiệu chính mộtthínghiệm như vậy kéo theo thêm một khókhăn: hiệuứng Doppler.Ðó là một hiện tượngrất phổ quát tạo ra choâm thanh,cho sóng ánh sáng khinguồn đangchuyển độngso với người quan sát.Chẳng hạn tiếng còi tàu có vẻ cao hơnkhitàu tiếngần tới và trầm hơn khi tàu xadần. Tần số nhữngphoton mà người quansát (hay nguyên tử) đangchuyển động khác với tần số mà tia laser phátra. Từ sự giảm tốc độ cho đến sự làm lạnh Nhưng đến đâythì những thủ tục trên chỉ làmchậm lại những nguyên tửđang bay nhanhkhủng khiếp trong một tia phóng. Bây giờ làm sao làmlạnhmột hơi nóng mà nơi đó các nguyên tử chạy tán loạn vô phươnghường với tốc độ rất lớn? Kết hợp nhiều tia laser Thiết bị thích đáng được đề nghị từ năm1976 bởi hainhà vật lý của đại học Stanfordlà dùngnhiều chùmtia laser.Ta có thể hiểu được cách hoạt động của chúng bằng cáchquan sát dọctheo đường thẳng trên đó người ta phát haichùm tia laser y hệt nhau,lan truyền theohướngngược nhau.Ðiều chỉnh làmsao cho tần số các tia laser thấphơn tần số riêng của nguyên-tử-đang-chuyển-động một chút Với 6 chùmtia laser,đối nhautừng cặp một theo3 hướng trong khônggian:áp suất bức xạ sẽ đi ngượclại vớichuyển động củanguyêntử cho dù chúng có chạy qua bên phải, bên tráihay lên trên,xuống dưới hoặc ra đằng trướchay đằng sau. Nguyên tử bấygiờ bị phanhlại rất mạnh mẽ chodù nó đi đâuđi chăng nữa. Nó như đang dichuyển trongmột dung dịchrất nhờn mà người ta gọi là mélasse optique. Mélasseoptique làm lắng dịu lại sự sôiđộng nhiệt củanhững nguyên tử và làm chúng đông lạnhhoàn toàn, tại chỗ. Thí nghiệm lần đầu tiên tại phòng thí nghiệm AT&TBelltại Hoa Kỳ năm 1985cho ra những nguyên tử có nhiệt độ dưới một phần ngànđộ Kelvin,tượng trưngvới vận tốctrung bìnhvài chục centimét/giây. Và sự hãm vận tốc nàyđược thựchiện trong phần ngàngiây. Vài năm sau lần thínghiệm đầu tiên về mélasseoptique,năm 1990, một êkíp người Pháp đã đoạt kỷ lục gần khôngđộ tuyệt đối:2µK tức làchỉ cao hơn 0Kcó 2 phần triệu độ! Sự phát triểnlớntrong lãnhvực 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 bàyở trên về cơ chế làm lạnh, còn gọi là "mélasseDoppler", người ta có thể tính đượcnhiệt độ giới hạn mà khôngthể nào xuống thêm được. Lực masát của mélasse làm các nguyên tử bấtđộnghoàn toàn, vì bị ngăn trở khi những nguyên tử bị khá lạnh dosự phát xạ photon huỳnhquang như ta đã nói ở trên. Do sự thụt lùi mỗi khiphát ra photon fluorescensmột cách tình cờ,và khắp mọi hướng cộng với sự masát mà nguyên tử chỉ cònmột sự khuấy độngtuy còn sót lại chút ít nhưngnó làmcho giới hạnnhiệt độ còn200µ°K Ngay cả nhữnglần thí nghiệm đầu tiên, giới hạn đó gần đạt tới, rồi thì giớihạn càng tiến xa hơn dự tính. Theo nhữngnhà vật lý thì còn những cơ chế khác đó là hiệu ứng cơ họccủa ánhsáng, độc lập với áp suất bứcxạ. Làm lạnh tốt hơn nhờ đặc tinh sóng của ánh sáng Sóngánhsángtạo chonguyêntử một hìnhnổi thậtsự donhữngchỗ lồi lõmcủa nó. Nguyên tử đã bị chậm lại bởi hiệuứngmélasse rồicòn phải lên xuống những chỗ lổi lõm. Người ta còn sắp đặt cho nguyên tử lên nhiều hơn làxuống để nó mất nhiều năng lượng và bị kẹt trong chỗ lõm, nơi đó nóở nhiệt độ rất thấp Cái bẫy cho những nguyên tử siêu lạnh Những mélasse dephotons làm lạnh cácnguyêntử ở nhiệtđộ rất thấp,nhưng chúng chưa thựcthụ bị giam hãm.Chúng còn điđược vận tốc vài phânmỗi giây theo đường chữ z(zigzag),lộn xộn không theo phương hướng nào cả vì mỗi lần nó gặpmột photon là nó đổi hướng. Tuyvậy khônggì ngăn cảnnóđi về hướng mép của mélasse (tạo thành bởivùng giao nhaucủa 6 chùmtia laser) để trốn chạy. Nghĩa làngười ta phanhnó lại nhưng không bẫy nóđược. Ðể giải quyết vấn đề bấttiện này, những nhànghiên cứu Pháp đề nghị hoàn thiện mélassebằng cách thêm vàomột từ trường cho 6 chùm tia Ghép đôi laser-từ trường Từ trường làmthay đổi cơ cấu trong nguyêntử và tần số riêngcủa chúngDođó có một sự thay đổi áp suất bức xạ mànhững photongây trên nó. Vớimột từ trường thayđổi chung quanh mộttâm điểm,người ta cóthể điều chỉnhđược áp suất bức xạ như thế nàođể áp suất đưa các nguyên tử vô giữa trungtâm trong lúc vẫn tạo được hiệu ứng mélasse Ðể chấtđầy nguyên tử lạnhvô bẫy , thoạt đầu các nhà nghiên cứu dùngmột tia nguyêntử (jet d'atomes) đã được làm chậm. Nhưng sau đó họ nhận thấy rằng những nguyên tử đến trungtâm quádễ dàng, ngay cả khi tia nguyên tử không hướngvề phía trung tâm. Dođó 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 vậtchứa khí nguyêntử bằng thuỷ tinh, ở nhiệt độ thường.Bẫy tốt đến nỗi nó bẫy luôn những nguyêntử gần trungtâm và làm lạnh chúngvà 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 màtỉ trọnggấp ngàn lần chất khí. Ngoàira nhữngnguyên 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 850nmtương đương với màu đỏ sậm, chỉ thấy vừa phải khôngrõ, gần như infrarouge. Ðể nhìnthấy 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 vớiđộ dài sóng là 690nm Tronghaitrường hợp,ta thấy rất rõ mây tạo thành ngaykhimớivừa cắmmáy laser. Mây chiếu sánglàdo các cácnguyên tử phát các photon huỳnhquang ra khắp mọi nơi . Số nguyên tử bị mắc bẫy có khoảng 100triệu đến1 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 ranhững triểnvọng mớicho ngành vật lý dùng nhiệt độ rất thấp. Cácnguyên tử rấtlạnh này sẽ tự đông đặc thành mạng đều đặn hay tích tụ dướinhững hình thức khác như trạngthái lạ lùngcủa vật chất mà Bose và Einstein đã tiên đoán năm 1925nhưng 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 khácnhau. Nhiều ê kíp nghiên cứu chuyện bẫy cácnguyêntử phóng xạ đặc biệt những loại hiếm. Khi chúngbị bẫy, ta có thể bắt chúng đứng yên để quan sát Bẫy những phản vật chất (antimatière) Ý tưởng lạ lùng nhấtlàchứa những phản vật chất trong bẫy. Thường thì những phản phật chất bị tiêutan với vật chấtcho nên ta không thể chứa chúng trong đồ đựng bình thường. Bẫy phải đượccấu tạo bởi một hộpphi vật chất (immatériel) trong đó phảnvật chất được chứa một cáchantoàn. . Làm thế nào để làm đông lạnh nguyên tử bằng tia Laser 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. 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. tạc" đến độ cóthể làm chotấm đó di độngnếu nó khá nhẹ. Ðẩy và làm chậm dao động nguyên tử bằng tia laser Cũng như tấmđục (paroi opaque) đó, các nguyên tử củachất khí hấp thutia laser sẽ chịu một