GIẢI NOBEL VẬT LÝ 2001
Giải Nobel Vật lý năm 2001 được trao cho giáo sưngười MỹEric A. Cornell
tại Viện liên hợp vật lý thiên văn phòng thí nghiệm (JILA) và Viện Tiêu chuẩn và
Công nghệQuốc gia (NIST) ởBoulder (Colorado, Mỹ), giáo sưngườiĐức Wolfgang
Ketterle tại Viện Công nghệMassachusetts (MIT) ởCambridge (Massachusetts, Mỹ)
và giáo sưngười MỹCarl E. Wieman tại Viện liên hợp vật lý thiên văn phòng thí
nghiệm (JILA) và Đại học Colorado ởBoulder (Colorado, Mỹ) "do đạtđược sự
ngưng tụBose-Einstein trong các khí loãng của các nguyên tửkiềm và do các
nghiên cứu cơbảnđầu tiên vềcác tính chất của các chất ngưng tụ".
Vật chất xung quanh chúng ta bao gồm các nguyên tửmà chúng tuân theo
các định luật của cơhọc lượng tử. Tại các nhiệtđộ thông thường, chúng thường
phù hợp với các quan niệm cổ điển và một chất khí trong các điều kiện nhưthếcó
dáng điệu khá giống với một tập hợp của các quảbóng bi a va chạm với nhau và va
chạm với các thành bình chứa khí. Tuy nhiên khi hạnhiệtđộ, vận tốc của các
nguyên tửsuy giảm và các tính chất của chúng ngày càng bịchi phối bởi các
nguyên lý của cơhọc lượng tử. Các nguyên tửquay xung quanh các trục của chúng,
nghĩa là chúng có spin. Chuyểnđộng quay này được mô tảbằng sốlượng tửspin.
Nó là một sốnguyên hoặc bán nguyên. Các hạt với spin nguyên được gọi là các
boson, Còn các hạt với spin bán nguyên được gọi là các fermion. Các boson biểu thị
dáng điệu "xã hội" mạnh và ởcác nhiệtđộ thấp chúng tập hợp lại trong cùng một
trạng thái lượng tửcó mức năng lượng thấp nhất. Các fermion tránh né nhau và
không thể ở cùng một trạng thái lượng tử. Chúng ởcác trạng thái có mức năng
lượng cao hơn. Sựsắp xếp của các nguyên tốtrong hệthống tuần hoàn có thể được
hiểu trên cơsởthực tếlà các electron trong các lớp vỏcủa nguyên tửlà các
fermion. Các nguyên tố được sắp xếp trong một hệthống tuần hoàn theo mứcđộ
phức tạp ngày càng tăng của các lớp vỏelectron của các nguyên tử.
Năm 1924 nhà vật lý ngườiẤnĐộ S. N. Bose đã thực hiện một tính toán
thống kê đối với các loại hạt mà sau đó mang tên ông là các boson. Các hạt ánh
sáng sau đó mang tên là các photon. Bose giới thiệu một nguồn gốc khác đối với
định luật bức xạdo Planck tìm ra trướcđó. Bose gửi công trình của mình cho A.
Einstein. Einstein nhận ra tầm quan trọng của công trình này. Ông đã dịch nó sang
tiếng Đức và đem nó công bố. Einstein nhanh chóng mởrộng lý thuyếtđể bao trùm
các hạt Bose và chính ông đã công bốhai bài báo vềvấnđề này. Trong hai bài báo
này, Einstein đã dự đoán rằng khi một sốhạtđã cho tiến lạiđủ gần nhau và chuyển
động đủ chậm chúng sẽ đồng thời chuyểnđến trạng thái năng lượng thấp nhất. Khi
đó xảy ra hiện tượng mà bây giờchúng ta gọi là sựngưng tụBose-Einstein (BEC).
Mối quan hệgiữa BEC và một phần vật chất thông thường cũng giống nhưmối
quan hệgiữa một chùm laze và ánh sáng phát ra từmột bóng đènđiện.
Kểtừkhi công bốcông trình đầu tiên này, các nhà vật lý mong muốnđạt
được trạng thái vật chất cơbản mới này mà nó hi vọng có nhiều tính chất lý thú và
hữu ích. Bảy mươi nămđã trôi qua cho đến khi Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle
và Carl E. Wieman khi sửdụng các phương pháp mới cuối cùng đã làm đượcđiều
đó vào năm 1995. Trạng thái mới của vật chấtđạtđược trong các chất khí nguyên
tửkiềm mà trong đó có thểnghiên cứu BEC theo một cách rất thuần túy. Không có
một chỗnào khác trong vũtrụmà người ta có thểtìm thấy các điều kiện tới hạnđể
xảy ra BEC nhưtrong các khí loãng. Hiện tượng BEC trướcđâyđã quan sát thấy
trong các hệphức tạp hơn nhưsựngưng tụcủa các electron ghép cặp trong các
chất siêu dẫn (sựmất toàn bộ điện trở) và siêu chảy (sựmát ma sát trong của các
chất lỏng). Siêu dẫn và siêu chảy cũng xảy ra ởcác nhiệtđộ thấp. Nghiên cứu trong
các lĩnh vực này đã được ghi nhận bởi một sốGiải Nobel. Tr ái với các hơi nguyên
tửkiềm, các hệcơhọc lượng tửnày không đơn giản do hiện tượng ngưng tụchỉ
liên quan đến một phần hệvà các tương tác mạnh có khuynh hướng che dấu hiện
tượng BEC.
Theo các định luật cơhọc lượng tửmà chúng chi phối các điều kiện trong
thếgiới vi mô, cái mà chúng ta thường gọi là hạtđôi khi có dáng điệu nhưlà sóng.
Người ta đã biết rõ điều này và nó đã được sửdụng chẳng hạn nhưtrong kính hiển
vi điện tử. Năm 1924 L. de Broglie đã chỉra sựtồn tại của các sóng vật chất và biểu
diễn bước sóng lcủa chúng theo xung lượng p của các hạt nhưsau
l= h/ p,
trong đó h là hằng sốPlanck. Hạt chuyểnđộng càng chậm, xung lượng của nó
càng nhỏvà bước sóng de Broglie càng lớn. Theo thuyếtđộng học chất khí, các vận
tốc nhỏcủa hạt tương ứng với các nhiệtđộ thấp. Nếu có thểtạo ra một chất khí đủ
đặc của các nguyên tửlạnh, các bước sóng của các hạt sẽcó cùng bậcđộ lớn như
khoảng cách giữa chúng. Nói cách khác, các bước sóng nhìn chung thường cực
ngắn nhưng các bước sóng ứng với các nguyên tửchuyểnđộng chậm có thểquan
sát được. Khi đó, các sóng vật chất khác nhau có thể"cảm nhận" được nhau và phối
hợp trạng thái của chúng. Đó chính là BEC. Các sóng vật chất của các nguyên tử
riêng biệt hợp thành một sóng đơn và chúng như đang "hát hợp xướng (sing in
unison)". Đôi khi người ta nói rằng một "siêu nguyên tử" xuất hiện vì toàn bộphức
hệ được mô tảbằng một hàm sóng đơn giản chính xác nhưtrong mộtđơn nguyên
tử. Hàng nghìn nguyên tửcó dáng điệu giống nhưmột siêu nguyên tửlớn. Chúng
ta cũng có thểnói vềvật chất kết hợp theo cùng một cách nhưnói vềánh sáng kết
hợp trong trường hợp của laze.
Chất khí khi làm lạnh nói chung ngưng tụthành chất lỏng. Nhưnhững người
đoạt Giải Nobel năm 2001 chỉra, điều này có thểtránh đượcđối với các nguyên tử
kiềm. Đối với rubiđi (87Ru) và đồng vịbền của natri (23Na) mà cảhai đều có spin
nguyên, các lựcđẩy yếu xuất hiện giữa các nguyên tửtrong từng trường hợp. BEC
xảy ra nếu mậtđộ (sốnguyên tửtrong một khối lập phương có cạnh bằng l) vượt
qua giá trị2,6. Khi đó, các nguyên tử đối với các mậtđộ thực cần phải chuyểnđộng
rất chậm với các vận tốc khoảng một vài milimét một giây. Điều này tương ứng với
các nhiệtđộ khoảng 100 nK (nanokelvin), nghĩa là một phần mười triệuđộ trên
không độ tuyệtđối. Cornell, Ketterle và Wieman đã đạtđược nhiệtđộ này bằng
cách sửdụng các phương pháp làm lạnh và bẫy các nguyên tửtrung hòa của S. Chu,
C. Cohen-Tannoudji và W. D. Phillips (Giải Nobel Vật lý năm 1997).
Năm 1975 T. W. Hansch và A. L. Schawlow đề xuất phương pháp làm lạnh
các nguyên tửtrung hòa bằng laze. Nguyên lý cơbản của phương pháp này là tạo
ra sựtrao đổi xung lượng giữa các photon và nguyên tử. Sựlàm lạnh có thể đạt
được bằng cách cho các photon va mặt với nguyên tửtrong quá trình chuyểnđộng
của chúng và chúng chỉcó thểbịhấp thụbằng cách đó. Khi đó, có thểlàm giảm vận
tốc tới một giới hạn do dòng ngẫu nhiên của sựphát xạtựphát thiết lập. Chu,
Cohen-Tannoudji và Phillips đã chỉra rằng cái gọi là giới hạn Doppler có thểvượt
qua bằng cách sửdụng các quá trình lọc sao cho có thể đạtđược các nhiệtđộ thấp
hơnđáng kể. Tuy nhiên, đám mây của các nguyên tửlàm lạnh cũng cần phải giữ
nguyên vẹn và điều này có thểxảy ra trong các bẫy nguyên tử. Các bẫy này thường
tạo ra bằng sựkết hợp của các chùm laze và các từtrường. Bẫy quang từ(MOT)
trởnên đặc biệt quan trọng. Một sốnhóm nghiên cứuđã sửdụng kỹthuật này để
tiếp cận các điều kiện của BEC. Tuy nhiên, một kỹthuật làm lạnh tiếp theo gọi là sự
làm lạnh bay hơi tỏra là cần thiết. Nhóm của D. Kleppner và T. J. Greytak ởMIT đã
sửdụng kỹthuật này. Ở đây, môi trường được làm lạnh bằng cách bảođảm rằng
các nguyên tửnhanh nhất thoát ra khỏi cộng đồng của chúng. Khi đó có thểlàm
giảm nhiệtđộ trung bình trong cộng đồng của các nguyên tử. Cà phê trong một cái
cốcđược làm lạnh theo một cách tương tự. Trong một bẫy nguyên tử, các nguyên
tử được giữ đúng chỗcủa chúng bởi các lực lưỡng cực từ. Lực hút có thể được
chuyển thành lựcđẩy nếuđảo ngược các cực từnguyên tử.Điều này có thể đạt
được nhờmột trường có tần sốvô tuyến. Đây là một phương pháp có hiệu quảdo
D. E. Pritchard ởMIT đề xuất. Các nguyên tửnhanh nhất chuyển lên trên cao ởbờ
của giếng thếmà ở đó từtrường và do đó tần sốbiếnđổiđối với sự đổi cực là cao.
Bằng cách lúc đầu áp dụng một cao tần và sau đó làm giảm tần sốmột cách từtừ,
có thểgiải phóng các nguyên tửnóng một cách liên tục. Tháng 6 năm 1995, bằng
cách đó nhóm của Cornell và Wieman ởJILA lầnđầu tiên đạtđược một giới hạn
ngưng tụtrong 87Ru. Khó khăn cuối cùng cần vượt qua là cần tránh sựmất mát
nguyên tửtại tâm bẫy mà ở đó từtrường bằng không và có thểxảy ra sự đảo cực
tựphát. Bằng cách quay một từtrường đủ nhanh ởtrên mẫu có thểngăn các
nguyên tửthoát khỏi bẫy một cách có hệthống.
Khoảng năm 1990 Wieman đã xem xét khảnăng tạo ra BEC trong các
nguyên tửkiềm. Các khía cạnh quan trọng là làm lạnh bằng laze trong một MOT và
chuyển sang một bẫy từthuần túy mà trong đó có thểáp dụng sựlàm lạnh bay hơi
sau đó. Cornell đã tham gia vào nghiên cứu của Wieman lúc đầu với tưcách là thực
tập sinh sau tiến sĩvà sau đó là thành viên của NIST. Trong các thực nghiệmởJILA,
kết quảthu được thực ngoạn mục. Quá trình lúc đầuởnhiệtđộ khoảng 170 nK.
Bằng cách làm cho sựlàm lạnh bay hơi diễn ra mạnh hơn, có thểthu được một sự
ngưng tụthuần khiếtởnhiệtđộ 20 nK. Khi đó, có thểgiữkhoảng 2000 nguyên tử ở
trong mẫu.
Các hình ảnh vềsựngưng tụBose-Einstein thu được bằng cách đột nhiên
ngắt các lực kìm giữtrong bẫy. Từ đó,đám mây dãn nởngày càng chậm hơn và các
nguyên tửngày càng lạnh hơn. Ảnh hình bóng (silhouette) củađám mây được tạo
ra khi sửdụng ánh sáng laze cộng hưởng sau một sựlàm trễ định trước và nhiệt
độ tính được trên cơsởkích thướcđạtđược củađám mây trong giai đoạn này.