Tạo ra vật thể lạnh nhất trong vũ trụ

Băng Nam cực có thể lạnh, nhưng không thể lạnh băng khí natri khi các nhà khoa học hạ nhiệt độ của nó xuống nhỏ hơn một độ trên mức không tuyệt đối.

Các nhà vật lý thuộc Trung tâm nguyên tử siêu lạnh của Viện Công nghệ Massachusetts (Mỹ) đã hạ nhiệt độ của một đám hơi nguyên tử natri xuống tới mức một nửa phần tỷ độ trên độ không tuyệt đối - nhiệt độ mà ở đó dao động của các nguyên tử gần như bằng không.

“Chưa có vật thể tự nhiên nào trong vũ trụ được biết lạnh đến vậy”, Aaron Leanhardt, trưởng nhóm nghiên cứu cho biết. Ngay cả nơi lạnh nhất trong thiên hà cũng nóng hơn thế 6 tỷ lần (tại vùng này, các dạng khí tồn tại ở 3 độ Kelvin trên mức không tuyệt đối, hay khoảng - 270 độ C, trong khi các nhà vật lý đã vượt qua ranh giới đó hơn 2 độ Kelvin).

Đây là lần đầu tiên một loại khí được làm lạnh dưới 1 nanokelvin - một phần tỷ của một độ Kelvin. “Để đi xuống dưới ngưỡng 1 nanokelvin, bạn hãy tưởng tượng nó gần giống với việc chạy hết một dặm đường trong vòng chưa đầy 4 phút”, Wolfgang Ketterle, đồng tác giả của nhóm nghiên cứu, người từng đoạt giải Nobel cho biết.

Để làm lạnh các nguyên tử, đầu tiên nhóm nghiên cứu sử dụng laser để "chặn" đường đi và làm giảm tốc độ của chúng. Sau đó họ loại bỏ những nguyên tử nóng hơn bằng cách lọc bỏ những nguyên tử nảy ra ở gần rìa của hộp từ trường. Cuối cùng, áp suất trong hộp được hạ xuống để làm nở khí. Về nguyên tắc, trong một đám hơi khí, nhiệt độ là phép đo tốc độ trung bình của các nguyên tử. Vì thế, khi đám khí được nở rộng, các nguyên tử tỏa ra nhiều phía và chạy chậm lại - hạ thấp nhiệt độ xuống.

Ở nhiệt độ phòng, các nguyên tử di chuyển với tốc độ của máy bay phản lực. Ở nhiệt độ nhỏ hơn 1 nanokelvin, chúng chuyển sang trạng thái bò, tức là chỉ khoảng 2,5 cm sau mỗi 30 giây, và đạt trạng thái cực lạnh.

Các nhà vật lý cho rằng, tạo ra một loại khí cực lạnh không chỉ là một thành tựu, mà nó còn giúp họ hiểu biết tốt hơn một dạng vật chất mới được hình thành khi các khí trở nên cực lạnh. Và vì dao động của các nguyên tử trong vật liệu cực lạnh dễ tiên đoán hơn nhiều so với trong các vật liệu ấm, nên các nhà khoa học tin rằng một ngày nào đó, nó có thể được sử dụng như là một công cụ để thực hiện các phép đo siêu chính xác.

Ketterle và một nhóm nghiên cứu tại Đại học Colorado ở Boulder lần đầu tiên tiếp cận đến dạng vật chất này vào năm 1995 khi họ làm lạnh một đám hơi khí tới nhiệt độ 1 microkelvin - một phần triệu độ Kelvin. Hai năm sau đó, Eric Cornell và Carl Wieman ghi nhận được một dạng vật chất khác thường khi họ làm lạnh khí natri xuống vài phần tỷ độ trên mức không tuyệt đối. Ở nhiệt độ này, các nguyên tử mất đi những trạng thái đặc trưng của chúng và thể hiện các đặc tính đồng nhất như một nguyên tử. Dạng vật chất này còn được gọi là hóa đặc Bose-Einstein, mang tên của nhà khoa học Ấn độ Satyendra Nath Bose, và Albert Einstein, người đưa ra dự đoán vào năm 1924 về tính chất của vật chất ở gần điểm không tuyệt đối.

Nhóm nghiên cứu dự kiến sẽ tiếp tục các thí nghiệm, nhằm kiểm tra điều gì xảy ra khi các nguyên tử siêu lạnh này va vào một bức tường ở nhiệt độ phòng? Chúng sẽ dính vào hay nảy bật ra?

B.H. (theo ABC, NewScientist)