Làm thếnào để làm đông lạnh
nguyên tửbằng tia Laser
Dùng một chùm tia sáng hướng xạbằng 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 lạkỳ. Ðúng vậy,
đó là một máy làm lạnh đặc biệt chỉlàm lạnh những nguyên tửkhí.
Thật vậy, những nhà vật lý đã thành công trong việc dùng tia laser để làm
lạnh những nguyên tửgần không độ tuyệtđối -chưa tới một phần triệuđộ
Kelvin- Ởnhiệtđộ này, thay vì chúng dao động mọi hướng như ở môi trường
bình thường chúng ta đang sống. thì chúng bị đông cứng tại chỗthành một
đám mây tuyết mà ta có thểkhảo sát chúng tùy thích trong những điều kiện
không thểtưởng tượng cách đây vài năm. Kỹthuật này chắc chắn sẽtìm ra
mộtứng dụng nhưmọiứng dụng khác
Làm lạnh là gì?
Tại sao tia laser lại làm lạnh được nguyên tử?
Ðể hiểuđược, chúng ta phải biết thếnào là nhiệt.. Nếuđịnh nghĩa theo mứcđộ vi
mô (niveau microscopique) thì đó là do sựlay động điên cuồng của những hạt
nguyên tử. Trong chất rắn, những nguyên tửdao động xung quanh vịtrí mà chúng
được giữlại do những lực cốkết bên trong (forces de cohésion interne) .
Trong chất khí, chúng di chuyển hỗnđộn khắp mọi phía với vận tốcđáng kể, từvài
trăm mét đến vài cây sốmột giây từthành này qua thành khác của vật chứa nó.
Làm giảm nhiệtđộ tức là làm giảmđộ dao động nhiệt này. Ởkhông độ tuyệtđối sẽ
là sựbấtđộng hoàn toàn. Do đó làm lạnh một chất khí có nghĩa là hãm bớt sựhoạt
động thất thường của chúng
Áp suất bức xạ(Pression de radiation)
Áp suất bức xạlà một sức ép thực sựdo tác dụng của ánh sáng trên vật chất.
Tia laser , dưới những điều kiện nào đó, có thểlàm nguyên tửdao động chậm lại
nhờáp suất bức xạ.Ðể biết khái niệm vềáp suất bức xạ, chúng ta quay vềquá khứ
thật xa xưa trước khi có tia laser và chúng ta nhớlại rằng đầu thếkỷXII, Kepler đã
nghi ngờcó sựhiện diện của một lực khi ông thấy cái đuôi của sao chổi luôn luôn
nằm vịtrí đối diện với mặt trời. Ông giải nghĩa rằng nó bịáp suất bức xạcủa ánh
sáng mặt trờiđẩy ra xa. Thật ra hướng đuôi sao chổiđược hình thành do nhiều
hiện tượng phức tạp, nhưng áp suất bức xạ đã gây sựchú ý của các nhà vật lý hơn
bao giờhết. Ðó là Einstein vào đầu thếkỷthứXX đã giải thích lầnđầu 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 tấmđục mờ(hay phản chiếu) nếuđược chiếu bởi
ánh sáng đủ mạnh sẽbịmột loạt photon "oanh tạc" đếnđộ có thểlàm cho tấmđó
di động nếu nó khá nhẹ.
Ðẩy và làm chậm dao động nguyên tửbằng tia laser
Cũng nhưtấmđục (paroi opaque) đó, các nguyên tửcủa chất khí hấp thu tia laser
sẽchịu một cú "sốc" và nhận một lựcđẩy (xung động, impulsion) theo hướng của
ánh sáng tới. Một nguyên tử đứng yên đặt trước chùm tia laser sẽbị đẩy vềhướng
truyền của chùm tia với một lực lớnđến nỗi làm cho nguyên tửgia tăng tốc lựcđến
1 cây số1 giây trong vòng một phần ngàn giây. Kết quảlạlùng này không phải do
một photon, vì 1 photon sẽcho nguyên tửmột cú sốc rất yếu. Muốn nhưtrên, phải
có sựlậpđi lập lại nhiều lần. Nguyên tửnhận nhiều cú sốc vì nó hấp thu nhiều
photon.
Nhưng nguyên tửkhông thểhấp thu vô sốphoton mãi được. Thật ra, mỗi lần hấp
thu một photon thì nó lại phát ra trởlại một photon khác, gọi là photon hùynh
quang (fluorescence), giống y nhưphoton mà nó vừa hấp thu, nhưng nó sẽ đi ra
theo môt hướng nào đó. Mỗi lần phát ra một photon, nguyên tửlại thụt lùi một
chút, giống nhưkhẩu súng bịgiựt thụt lùi khi bắn ra một viên đạn. Nhưng vì những
photon huỳnh quang văng ra tứphía không định hướng nên tổng hợp mọi lực lại
sẽtriệt tiêu.
Ðiểm chính yếu là phải làm cho nguyên tửhấp thu photon. Muốnđược nhưvậy,
phảiđiều chỉnh làm sao cho tần sốcủa photon phù hợp với một trong những tần
sốriêng 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 tửmột cách hiệu quả.
Nếu bây giờta phóng thật nhanh các nguyên tử để gặp chùm tia laser, ta có thểlàm
chậm chúng lại, chậnđứng hay ngay cảlàm cho chúng quay ngược trởlại. Thí
nghiệm làm chậm nguyên tửnày được thực hiện lầnđầu tiên vào năm 1985 bởi
hai ê kíp người Mỹ
Hiệuứng Dopler
Hiệu chính một thí nghiệm nhưvậy kéo theo thêm một khó khăn: hiệuứng
Doppler. Ðó là một hiện tượng rất phổquát tạo ra cho âm thanh, cho sóng ánh
sáng khi nguồnđang chuyểnđộng so với người quan sát. Chẳng hạn tiếng còi tàu
có vẻcao hơn khi tàu tiến gần tới và trầm hơn khi tàu xa dần. Tần sốnhững photon
mà người quan sát (hay nguyên tử)đang chuyểnđộng khác với tần sốmà tia laser
phát ra.
Từsựgiảm tốcđộ cho đến sựlàm lạnh
Nhưng đếnđây thì những thủtục trên chỉlàm chậm lại những nguyên tửđang bay
nhanh khủng khiếp trong một tia phóng. Bây giờlàm sao làm lạnh một hơi nóng
mà nơiđó các nguyên tửchạy tán loạn vô phương hường với tốcđộ rất lớn?
Kết hợp nhiều tia laser
Thiết bịthích đáng đượcđề nghịtừnăm 1976 bởi hai nhà vật lý củađại học
Stanford là dùng nhiều chùm tia laser. Ta có thểhiểuđược cách hoạtđộng 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 sốriêng 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 xạsẽ đi ngược lại với chuyểnđộng của nguyên tửcho dù chúng có chạy
qua bên phải, bên trái hay lên trên, xuống dưới hoặc ra đằng trước hay đằng sau.
Nguyên tửbấy giờbịphanh lại rất mạnh mẽcho dù nó điđâuđi 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 sựsôi động nhiệt của những nguyên tửvà làm
chúng đông lạnh hoàn toàn, tại chỗ.
Thí nghiệm lầnđầu tiên tại phòng thí nghiệm AT&TBell tại Hoa Kỳnăm 1985 cho
ra những nguyên tửcó nhiệtđộ dưới một phần ngàn độ Kelvin, tượng trưng với
vận tốc trung bình vài chục centimét/giây. Và sựhãm vận tốc này được thực hiện
trong phần ngàn giây.
Vài năm sau lần thí nghiệmđầu tiên vềmélasse optique, năm 1990, một ê kíp
người Pháp đã đoạt kỷlục gần không độ tuyệtđối : 2µK tức là chỉcao hơn 0K có 2
phần triệuđộ!
Sựphát triển lớn trong lãnh vực thực nghiệm kèm theo những tiến bộquan trọng
vềlý thuyết nhờnhững ê kíp Mỹvà Pháp.
Nếu dựa trên căn bản lý luận nhưtrình bày ởtrên vềcơchếlàm lạnh, còn gọi là
"mélasse Doppler", người ta có thểtính được nhiệtđộ giới hạn mà không thểnào
xuống thêm được. Lực ma sát của mélasse làm các nguyên tửbấtđộng hoàn toàn,
vì bịngăn trởkhi những nguyên tửbịkhá lạnh do sựphát xạphoton huỳnh quang
nhưta đã nói ởtrên. Do sựthụt lùi mỗi khi phát ra photon fluorescens một cách
tình cờ, và khắp mọi hướng cộng với sựma sát mà nguyên tửchỉcòn một sựkhuấy
động tuy còn sót lại chút ít nhưng nó làm cho giới hạn nhiệtđộ còn 200µ°K
Ngay cảnhững lần thí nghiệmđầu tiên, giới hạnđó gầnđạt tới, rồi thì giới hạn
càng tiến xa hơn dựtính. Theo những nhà vật lý thì còn những cơchếkhác đó là
hiệuứng cơhọc 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 tửmột hình nổi thật sựdo những chỗlồi lõm của nó.
Nguyên tử đã bịchậm lại bởi hiệuứng mélasse rồi còn phải lên xuống những chỗ
lổi lõm. Người ta còn sắpđặt cho nguyên tửlên nhiều hơn là xuống để nó mất
nhiều năng lượng và bịkẹt trong chỗlõm, nơiđó nó ởnhiệtđộ rất thấp
Cái bẫy cho những nguyên tửsiêu lạnh
Những mélasse de photons làm lạnh các nguyên tử ở nhiệtđộ rất thấp, nhưng
chúng chưa thực thụbịgiam hãm. Chúng còn điđược vận tốc vài phân mỗi giây
theo đường chữz (zigzag), lộn xộn không theo phương hướng nào cảvì mỗi lần nó
gặp một photon là nó đổi hướng. Tuy vậy không gì ngăn cản nó đi vềhướng 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 vấnđề bất tiện này, những nhà nghiên cứu Pháp đề nghịhoàn thiện
mélasse bằng cách thêm vào một từtrường cho 6 chùm tia
Ghép đôi laser-từtrường
Từtrường làm thay đổi cơcấu trong nguyên tửvà tần sốriêng của chúng Do đó có
một sựthay đổi áp suất bức xạmà những photon gây trên nó. Với một từtrường
thay đổi chung quanh một tâm điểm, người ta có thể điều chỉnh được áp suất bức
xạnhưthếnào để áp suấtđưa các nguyên tửvô giữa trung tâm trong lúc vẫn tạo
được