Ứng dụng của tia Laser : Đông
lạnh nguyên tử
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 mộtđám 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 mức
độ 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 tuyệt
đối sẽlà sựbấtđộng hoàn toàn. Do đó làm lạnh một chất khí có nghĩa là hãm bớt
sựhoạtđộng 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 về
quá khứthật 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 xạ
của 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
tửgọi 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 về
hướng 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 như
trên, 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 như
vậy, 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 trở
lại. 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 số
mà 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 sốcác 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 tử
và 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 sựkhuấyđộng 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 chỗlổi 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 từ
trường 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 tạođược hiệuứng mélasse
Ðể chấtđầy nguyên tửlạnh vô bẫy , thoạtđầu các nhà nghiên cứu dùng một
tia nguyên tử(jet d'atomes) đã được làm chậm. Nhưng sau đó họnhận thấy rằng
những nguyên tử đến trung tâm quá dễdàng, ngay cảkhi tia nguyên tửkhông
hướng vềphía trung tâm. Do đó họnghĩrằng họcó thểchụp bắtđược nguyên tử
trong những điều kiện khó khăn hơn Họliềnđặt cái bẫyởgiữa một vật chứa khí
nguyên tửbằng thuỷtinh, ởnhiệtđộ thường. Bẫy tốtđến nỗi nó bẫy luôn những