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

Nguyên tử lạnh

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 bằng thuyết 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 (antimatière)

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