Chương 1. TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ NGƯNG TỤ BOSE –
1.2. Tổng quan nghiên cứu về ngƣng tụ Bose – Einstein
1.2.2 Một số ứng dụng của ngƣng tụ Bose – Einstein
a – Chế tạo laze mới với bước sóng trong vùng tia X hoặc tia cực tím
Các nhà khoa học người Đức đã tạo ra bước đột phá trong lĩnh vực Vật lý khi cho ra đời một loại ánh sáng mới bằng cách làm lạnh các phân tử photon sang trạng thái đốm màu.
Hình 1.2. Một “siêu photon” được tạo ra khi các hạt photon bị làm lạnh tới một trạng thái vật chất được gọi tên là “ trạng thái ngưng tụ Bose – Einstein”.
(Ảnh: LiveScience)
Ta vẫn biết mọi vật chất thường tồn tại ở ba trạng thái: rắn, lỏng, khí; khám phá mới thể hiện một trạng thái của vật chất. Với tên gọi “trạng thái ngƣng tụ Bose – Einstein”. Các nhà khoa học từng tạo đƣợc trạng thái này vào năm 1995 ở các nguyên tử siêu lạnh của một chất khí, nhƣng quả thật, chƣa ai từng nghĩ có thể đạt đƣợc trạng thái này ở các hạt photon (quang tử) – những đơn vị cơ bản
của ánh sáng. Tuy nhiên, bốn nhà Vật lý Jan Klars, Julian Schmitt, Frank Vewinger và Martin Weitz thuộc Đại học Bonn ở Đức mới đây thông báo đã làm đƣợc điều đó. Họ đặt tên cho các hạt mới là “các siêu photon”.
Các hạt trong một trạng thái ngƣng tụ Bose – Einstein truyền thống đƣợc làm lạnh tới độ không tuyệt đối, cho tới khi chúng hòa vào nhau và trở nên không thể phân biệt đƣợc, tạo thành một hạt khổng lồ. Các chuyên gia từng cho rằng, các photon sẽ không thể đạt đƣợc trạng thái này vì việc vừa làm lạnh ánh sáng vừa ngưng tụ nó cùng lúc dường như là bất khả thi. Do photon là các hạt không có khối lượng nên chúng đơn giản có thể bị hấp thụ vào môi trường xung quanh và biến mất – đặc biệt khi chúng bị làm lạnh.
Bốn nhà Vật lý người Đức cuối cùng đã tìm được cách làm lạnh các hạt photon mà không làm giảm số lƣợng của chúng. Để giam cầm các photon, những nhà nghiên cứu này đã sáng chế ra một thùng chứa làm bằng những tấm gương đặt vô cùng sát nhau và chỉ cách nhau khoảng một phần triệu của một mét (1 micrô). Giữa các gương, nhóm nghiên cứu đặt các phân tử “thuốc nhuộm” (về cơ bản chỉ có một lƣợng nhỏ chất nhuộm màu). Khi các photon va chạm với những phân tử này, chúng bị hấp thu và sau đó đƣợc tái tạo.
Các tấm gương đã “bẫy” các photon bằng cách giữ cho chúng nhảy tiến – lui trong một trạng thái bị giới hạn. Trong quá trình đó, các hạt quang tử trao đổi nhiệt lƣợng mỗi khi chúng va chạm với một phân tử thuốc nhuộm. Và cuối cùng, chúng bị làm lạnh tới nhiệt độ phòng. Mặc dù mức nhiệt độ phòng không thể đạt độ không tuyệt đối nhƣng nó đã đủ lạnh để các photon kết lại thành một trạng thái ngƣng tụ Bose - Einstein.
Nhà vật lý James Anglin thuộc trường Đại học Kỹ thuật Kaiserslautern (Đức) đánh giá thử nghiệm trên là “một thành tựu mang tính bước ngoặt” trong bài viết mới đây trên tạp chí Nature. Các tác giả của nghiên cứu này cho biết
thêm rằng, công trình của họ có thể mang lại những ứng dụng trong việc chế tạo các loại laze mới, với khả năng sinh ra ánh sáng có bước sóng vô cùng ngắn trong các dải tia X hoặc tia cực tím.
b - Sự tồn tại của trạng thái ngƣng tụ polariton
Các nhà Vật lý Mỹ nói rằng họ chứng kiến một sự kết hợp độc đáo của một trạng thái ngƣng tụ Bose – Einstein trong một hệ các giả hạt đƣợc làm lạnh đƣợc gọi là polariton. Mặc dù những khẳng định tương tự đã từng được công bố trước đó, nhƣng các nhà nghiên cứu khác trong lĩnh vực này vẫn hoài nghi rằng sự kết hợp này là một hiệu ứng của chùm laze đƣợc dùng để tạo ra các polariton, có nghĩa là hệ không chắc chắn là ngƣng tụ. Thí nghiệm mới này đã hoàn toàn loại bỏ những nghi ngờ bằng cách tích lũy polariton từ các chùm laze (có thể xem chi tiết công trình này trên Science 316, 1007).
Lần đầu tiên đƣợc tạo ra vào năm 1995 từ hơi nguyên tử rubiđi, trạng thái ngƣng tụ Bose – Einstein (BEC) là một hệ mà trong đó một số lƣợng lớn các hạt boson (các hạt có spin nguyên) chồng chập trong một trạng thái cơ bản giống nhau. Điều này cho phép các boson biểu hiện các thuộc tính cổ điển ngẫu nhiên của chúng và dịch chuyển nhƣ một trạng thái kết hợp, và rất có ý nghĩa cho các nghiên cứu về hiệu ứng lƣợng tử ví dụ nhƣ siêu chảy trong một hệ vĩ mô. Điều trở ngại ở đây là sự thay đổi trạng thái thường chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất thấp, gần không độ tuyệt đối.
Tuy nhiên, các polariton – các boson bao gồm một cặp điện tử - lỗ trống và một photon lại nhẹ hơn hàng ngàn lần so với nguyên tử rubiđi, do đó có thể tạo ra trạng thái BEC ở tại nhiệt độ cao hơn nhiều. Khẳng định đầu tiên về sự ngƣng tụ này đƣợc công bố vào năm 2006 khi mà Jacek Kasprzak (Đại học Tổng hợp Joseph Fourier. Grenoble, Pháp) cùng với các đồng nghiệp Thụy Sĩ và Anh sử dụng một chùm laze tăng một cách đều đặn mật độ của các polariton trong một
vi cầu chất bán dẫn đƣợc giữ ở nhiệt độ khá cao là 19K.
Họ quan sát thấy ở trên một mật độ tới hạn, các polariton bắt đầu biểu hiện thuộc tính kết hợp của trạng thái BEC. Một số nhà nghiên cứu khác trong lĩnh vực này lại nghi ngờ rằng các polariton dù ở trạng thái BEC thật, nhƣng bởi vì thuộc tính này chỉ có thể quan sát thấy trong một vùng đƣợc kích thích bởi chùm laze mà vốn tự nó đã kết hợp đƣợc rồi.
Hình 1.3: Sơ đồ bố trí của hệ bẫy các polariton (Science 316, 1007).
Và để giải quyết rắc rối này, nhóm của David Snoke ở Đại học Tổng hợp Pittsburgh và các cộng sự ở Phòng thí nghiệm Bell (Mỹ) tạo ra một hệ tương tự mà trong đó các polariton đƣợc tạo ra bởi các tia laze sau đó di chuyển khỏi vùng kích thích của laze. Điều này đƣợc thực hiện nhờ một ghim nhỏ chiều ngang 50 micrômet, để tạo ra một ứng suất bất đồng nhất trên vi cầu, có nghĩa là tạo ra nhƣ một bẫy để tích lũy các polariton. Và ở hệ này, trạng thái BEC vẫn chỉ đạt đƣợc ở nhiệt độ thấp tới 4,2 K. Mặc dù ở nhiệt độ này thấp hơn nhiều so với nhiệt độ 19 K mà nhóm của Kasprzak đã công bố, nhƣng Snoke đã nói trên
rằng sau khi xuất bản công trình này, nhóm đã tạo ra hiện tƣợng này ở nhiệt độ cao tới 32 K: “Có hàng trăm nguyên nhân để hi vọng chúng tôi có thể đạt tới nhiệt độ cao hơn, cao hơn nữa… dù không thể giả thiết có thể đạt tới nhiệt độ phòng nhưng trên 100K không phải là không thể đạt được trong khả năng của chúng tôi”.
Hơn nữa, các vi hốc – microcavity đƣợc tạo ra bởi vật liệu bán dẫn phổ thông GaAs trong hệ bẫy tương tự từng được dùng trong các khí nguyên tử mà có thể dễ dàng chế tạo cho các nhóm nghiên cứu khác.
Hình 1.4: Phân bố xung lượng của các polariton (Science 316, 1007).
Tuy nhiên, cũng vẫn còn một số nghi ngờ là liệu có phải hệ của nhóm Snoke là trạng thái BEC trong các xu hướng truyền thống hay không vì các polariton có thời gian sống khá ngắn đến nỗi các hệ chỉ có thể đạt đƣợc trạng thái chuẩn cân bằng. “Một số người muốn hạn chế việc sử dụng khái niệm BEC cho một hệ ở trạng thái cân bằng thực sự” – Snoke nói – “Mặt khác, lại có một số người khác muốn tổng quát hóa cùng trong một loại hệ hỗn hợp bao gồm cả laze. Thực ra đó là một câu hỏi mang tính chất thuật ngữ thì đúng hơn”.
c – Chế tạo chất siêu dẫn mới
Mới đây, các nhà khoa học thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia cùng phối hợp với trường đại học Colorado (Mỹ) đã thành công trong việc tạo ra một loại chất mới. Loại vật chất này là một dạng cô đặc của các hạt cơ bản:
electron, proton và neutron.
Đó còn là dạng vật chất thứ sáu được con người khám phá sau những dạng:
chất khí, chất rắn, chất lỏng, khí plasma và ngƣng tụ Bose – Einstein đã đƣợc tạo ra từ năm 1995. Deborah Jin (đại học Colorado) cho biết, loại vật chất mà các đồng nghiệp của bà vừa tạo ra là đột phá khoa học trong việc cung cấp một kiểu mới cho hoạt động của cơ học lƣợng tử.
Loại vật chất mới này có khả năng tạo ra một mối liên kết giữa hai lĩnh vực hoạt động khoa học là chất siêu dẫn và ngƣng tụ Bose – Einstein, tạo cơ sở phát triển những ứng dụng thiết thực khác. Hiện nay, theo ƣớc tính có khoảng 10%
lượng điện ta sản xuất ra bị tiêu hao trên đường chuyển tải, làm nóng đường dây.
Nếu ứng dụng vật liệu chất siêu dẫn vào làm dây dẫn điện thì quá trình chuyển tải điện không còn bị hao hụt bởi điện trở nữa. Ngoài ra, chất siêu dẫn còn cho phép sáng chế ra những loại xe lửa bay trên đệm từ trường dựa trên cơ sở nguồn năng lƣợng hiện đang đƣợc sử dụng. Do đƣợc giải phóng khỏi ma sát, đoàn tàu sẽ lướt đi theo đường từ trường ở tốc độ cao hơn.
Jin cùng với hai đồng nghiệp Eric Cornell và Carl Wieman đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 2001 cho phát minh ra vật chất Bose – Einstein cô đặc. Loại vật chất này đƣợc tạo ra từ tập hợp của hàng nghìn phần tử cực lạnh tạo thành trạng thái lượng tử đơn, tương tự một siêu nguyên tử. Còn loại vật chất mới mà nhóm nghiên cứu của bà vừa tạo ra khác với Bose – Einstein. Nó đƣợc tạo thành từ những khối hạt vật chất là proton, electron và neutron trong môi trường chân không đƣợc làm lạnh xuống gần tới độ không tuyệt đối. Tại nhiệt độ đó, các
phần tử vật chất ngừng hoạt động. Sau đó, từ trường và tia laze điều khiển để những nguyên tử kết đôi lại với nhau. Loại nguyên tử mới này có sức hút mạnh hơn những nguyên tử thông thường, đem đến cho thế giới nhiều ứng dụng mới thiết thực cho cuộc sống hàng ngày của con người.
d – Tạo ra hiệu ứng Hall trong sự ngƣng tụ Bose - Einstein
Các nhà nghiên cứu ở Viện Tiêu Chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ vừa lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng Hall ở một chất khí gồm những nguyên tử cực lạnh. Hiệu ứng Hall là một tương tác quan trọng của từ trường và dòng điện thường xảy ra với kim loại và chất bán dẫn. Các biến thể của hiệu ứng Hall đã đƣợc sử dụng trong kĩ thuật và trong vật lý với các ứng dụng đa dạng từ những hệ thống tự đánh lửa tự động cho đến những phép đo cơ bản của điện học. Khám phá mới có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cơ sở vật lý của các hiện tƣợng lƣợng tử ví dụ nhƣ sự siêu chảy và hiệu ứng Hall lƣợng tử.
Bài báo của họ công bố trên số ra trực tuyến ngày 14 tháng 6, 2012, của tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.
Đƣợc Edwin Hall phát hiện ra vào năm 1879, hiệu ứng Hall dễ hình dung nhất ở một chất dẫn điện hình chữ nhật nhƣ một tấm đồng khi có một dòng điện chạy dọc theo chiều dài của nó. Một từ trường đặt vuông góc với dòng điện (vuông góc với tấm đồng) làm lệch đường đi của các hạt mang điện trong dòng điện (electron chẳng hạn) bằng cách gây cảm ứng một lực theo chiều thứ ba vuông góc với cả từ trường và dòng điện. Lực này đẩy các hạt mang điện về một phía của tấm kim loại và gây ra một điện thế, hay “hiệu điện thế Hall”. Hiệu điện thế Hall có thể dùng để đo những tính chất tiềm ẩn bên trong các hệ thống điện, ví dụ nhƣ nồng độ hạt mang điện và dấu điện tích của chúng.
“Các hệ nguyên tử lạnh là một nền tảng quan trọng để nghiên cứu nền vật lý phức tạp vì chúng gần nhƣ không có tạp chất gây cản trở, các nguyên tử
chuyển động chậm hơn nhiều so với các electron trong chất rắn, và các hệ cũng đơn giản hơn nhiều”, phát biểu của nhà nghiên cứu NIST Lindsay LeBlanc.
“Thủ thuật là tạo dựng những điều kiện sẽ khiến các nguyên tử hành xử theo kiểu thích hợp”.
Việc đo hiệu ứng Hall ở một ngƣng tụ Bose – Einstein xây dựng dựa trên công trình NIST trước đây tạo ra điện trường và từ trường nhân tạo. Trước tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng laze buộc năng lƣợng của các nguyên tử với xung lƣợng của chúng, đƣa hai trạng thái nội vào một liên hệ gọi là sự chồng chất.
Việc này làm cho các nguyên tử trung hòa điện tác dụng nhƣ thể chúng là những hạt tích điện. Với đám mây gồm khoảng 20.000 nguyên tử tập trung thành một quả cầu loãng, sau đó các nhà nghiên cứu cho lực bắt giữ biến thiên tuần hoàn – đẩy các nguyên tử trong đám mây lại với nhau và rồi hút chúng ra xa – để mô phỏng chuyển động của các hạt mang điện trong một dòng xoay chiều. Đáp lại, các nguyên tử bắt đầu chuyển động theo kiểu giống hệt về mặt toán học với cách các hạt tích điện chịu hiệu ứng Hall sẽ chuyển động, tức là vuông góc với cả chiều của dòng “điện” và từ trường nhân tạo.
Theo LeBlanc, việc đo hiệu ứng Hall đó mang lại một công cụ nữa dành cho nghiên cứu cơ sở vật lý của sự siêu chảy, một điều kiện lƣợng tử nhiệt độ thấp trong đó các chất lỏng chảy mà không có ma sát, cũng nhƣ cái gọi là hiệu ứng Hall lƣợng tử, trong đó tỉ số của hiệu điện thế Hall và dòng điện chạy qua chất liệu bị lƣợng tử hóa, cho phép xác định các hằng số cơ bản.
Chương2