 |
|
Xung atom laser được tạo ra trong phòng thí nghiệm của Ketterle. |
Hóa đặc Bose-Einstein không phải là chất rắn, chất lỏng, cũng chẳng phải chất khí. Chúng không cứng, không lỏng, không bồng bềnh.
Không từ ngữ nào có thể miêu tả được tính chất của hóa đặc này. Nó không tuân thủ theo các định luật của thế giới vật lý mà chúng ta biết. Nó đến từ một thế giới khác: thế giới của cơ học lượng tử.
Cơ học lượng tử miêu tả tính chất của ánh sáng và vật chất ở tầng nguyên tử (vi mô). Có nghĩa là, ở cùng một thời điểm, một vật thể (object) có thể xuất hiện ở hai vị trí khác nhau. Lý do là vật thể đó có thể tồn tại ở dạng hạt và sóng. Tính lưỡng phân này được miêu tả bởi phương trình sóng nổi tiếng của Schrodinger.
Hóa đặc Bose-Einstein tồn tại dưới dạng sóng-vật-chất. Nó là cầu nối khoảng trống giữa thế giới vĩ mô với thế giới của cơ học lượng tử. Nó gồm vài triệu nguyên tử kết hợp lại, tạo thành một "hạt" sóng-vật-chất lớn đồng nhất và duy nhất (one giant matter-wave).
Năm 1924, Albert Einstein (Đức) và Satyendra Bose (Ấn Độ) đưa ra giả thuyết cho rằng, ở nhiệt độ gần điểm không tuyệt đối (-273 độ C), các nguyên tử không còn chuyển động tự do nữa mà sẽ co lại thành một dạng nguyên tử đồng nhất. Khi đó, vật chất sẽ "hóa đặc" trong một khối, còn gọi là hóa đặc Bose-Einstein.
Năm 1995, lần đầu tiên nhà vật lý Đức Ketterle (Giải Nobel 2001) tạo ra hóa đặc này bằng cách hạ thấp nhiệt độ của khí natri xuống mức vài trăm phần tỷ độ trên 0 độ K.
Ở nhiệt độ thấp như vậy, các nguyên tử tồn tại ở dạng sóng nhiều hơn dạng hạt. Được giữ bởi các chùm laser, và trong một từ trường, các điện tử giao thoa với nhau, tạo thành một sóng-vật-chất duy nhất.
Nghiên cứu độc lập với Ketterle, hai nhà khoa học Mỹ Eric Cornell và Carl Wieman (Giải Nobel 2001) cũng tạo ra hóa đặc Bose-Einstein (BEC) bằng cách đưa các phân tử rubidium vào môi trường có nhiệt độ sát 0 độ K.
Theo Ketterle, nếu đưa hai BEC lại gần nhau, chúng không hòa trộn với nhau như vật chất bình thường, mà giao thoa như hai sóng.
Tuy nhiên, có một hiện tượng lạ là khi một nguyên tử (trong một BEC) tác động với một nguyên tử (trong BEC khác), chúng không tạo thành một phân tử. Đó là một sự kết hợp tàn phá, làm mất dạng cả hai nguyên tử để tạo thành một sóng-vật-chất duy nhất.
Không phải tất cả các nguyên tử đều có thể tạo thành BEC. Chỉ có những nguyên tử mà tổng số neutron + proton + electron là một số chẵn mới có thể sử dụng được cho việc này. Ví dụ, Ketterle tạo ra hóa đặc BEC từ các điện tử natri. Tổng số neutron + proton + electron trong một nguyên tử natri là 34 - một số chẵn.
Hóa đặc Bose-Einstein được nhiều người dự đoán là "miền đất hứa" cho kỹ thuật chính xác. Người ta có thể sử dụng nó để sản xuất chip siêu nhỏ, các hệ thống vi điện cơ (MEMS), hoặc các linh kiện cho máy tính lượng tử, các sản phẩm ở ranh giới mờ giữa thế giới lượng tử và thế giới vĩ mô. Các nhà khoa học hy vọng việc nghiên cứu BEC có thể canh tân các kỹ thuật trên hoặc tạo ra các kỹ thuật mới.
Ketterle đang làm một thí nghiệm để tạo ra một xung laser nguyên tử (atom laser puls) từ BEC. "Trong khí nghiệm bình thường, các nguyên tử chuyển động hỗn loạn theo mọi hướng. Tuy nhiên ở BEC, tất cả các nguyên tử chuyển động theo một hướng, bởi chúng chỉ là một sóng-vật-chất duy nhất. Vì thế, người ta có thể điều khiển được sóng-vật-chất này theo ý muốn", Ketterle nói.
Theo Ketterle, xét về một khía cạnh nào đó, atom laser cũng na ná như laser ánh sáng (laser ánh sáng là một chùm photon chuyển động theo một hướng). Tuy nhiên, có sự khác biệt lớn giữa hai loại laser này. Đó là atom laser có khối lượng, và nó có thể bị lực hút của trái đất kéo xuống, trong khi laser ánh sáng thì không.
Theo Ketterle, atom laser không thể ứng dụng cho các máy quét, máy in, máy copy. Người ta sử dụng nó vào những việc khác, chẳng hạn trong các đồng hồ điện tử, hệ thống định vị không gian, quang điện tử...
Hóa đặc Bose-Einstein sẽ đưa kỹ thuật của loài người đến đâu? "Đó là điều mà chúng ta chưa biết được", Ketterle nói. "Xưa nay, chúng ta mới chỉ sử dụng vật liệu ở 3 thể lỏng rắn và khí và chưa thể lường hết được những thành tựu mà thể vật chất thứ tư đem lại".
Minh Hy (theo NASA)