Lần đầu tiên hạt nhân trở nên trong suốt

Lần đầu tiên một hiện tượng vật lí được sử dụng rộng rãi để làm chậm và lưu trữ những xung ánh sáng trong những đám mây nguyên tử đã được nhìn thấy trong một hệ những mức năng lượng hạt nhân. Đột phá trên do một đội nhà vật lí ở Đức thực hiện, họ đã nhìn thấy bằng chứng cho hiện tượng gọi là sự trong suốt cảm ứng điện từ (EIT) khi tia X đi qua những lớp sắt cỡ nano mét. Theo các nhà nghiên cứu, phương pháp của họ, cũng là phương pháp đầu tiên thu được EIT mà chỉ dùng hai mức năng lượng thay cho thông thường là ba mức, có thể dẫn tới sự phát triển của những dụng cụ điều khiển tia X, cái hiện nay rất khó thực hiện.

EIT xảy ra trong những môi trường nhất định thường không cho ánh sáng ở một bước sóng nhất định truyền qua, nhưng có thể được làm cho trở nên trong suốt bằng cách tác dụng một chùm ánh sáng “điều khiển” thứ hai với bước sóng hơi lệch đi một chút. Nếu chùm tia điều khiển này tắt mở đúng lúc, thì có thể sử dụng EIT để làm chậm một xung ánh sáng để nó lưu lại trong môi trường đó trong chừng một giây đồng hồ hoặc lâu hơn.

EIT đòi hỏi các nguyên tử bên trong môi trường đó phải có một cấu hình nhất định gồm ba mức năng lượng trong đó các chuyển tiếp giữa một cặp mức nhất định là bị cấm. Trong khi những cấu hình ba mức như vậy có thể tìm thấy trong nhiều hệ nguyên tử, thì chúng thường không có sẵn trong các hệ hạt nhân. Để giải quyết vấn đề này, Ralf Röhlsberger cùng các đồng sự tại phòng thí nghiệm DESY ở Hamburg đã nghĩ ra một cách làm cho một hệ hạt nhân hai mức hành xử giống như một hệ ba mức thích hợp cho EIT. Các nhà nghiên cứu còn hi vọng những kĩ thuật tương tự có thể áp dụng cho những hệ hai mức khác, ví dụ như các chấm lượng tử.

Ảnh minh họa hai hạt nhân đặt giữa hai cái gương có thể tương tác với nhau như thế nào qua các tia X phản xạ giữa hai gương. (Ảnh: DESY)

Những lớp sắt-57

Thí nghiệm gồm hai lớp sắt dày 2 nm kẹp giữa hai cái gương bằng platinum. Hai cái gương đặt cách nhau 45 nm và hộp cộng hưởng do chúng tạo ra là nơi dung dưỡng một sóng dừng tia X. Một trong hai lớp sắt đặt tại bụng của sóng dừng và lớp kia tại hõm sóng. Hai lớp sắt làm bằng đồng vị sắt-57, đồng vị có một chuyển tiếp hạt nhân hai mức ở năng lượng 14,4 keV. Năng lượng này ứng với sự hấp thụ và phát xạ của một photon tia X cứng. Tuy nhiên, trong sóng dừng, mức hạt nhân cao trong bụng sóng bị lệch tương đối so với mức hạt nhân cao trong hõm sóng – nhờ đó tạo ra một hệ ba mức.

Đội khoa học đã sử dụng những xung tia X 14,4 keV phát ra bởi synchrotron PETRA III tại DESY xác nhận hệ trên thích hợp cho EIT. Các nhà nghiên cứu đã khảo sát hai cấu hình khác nhau. Trong cấu hình thứ nhất, các xung đi vào hộp cộng hưởng, sau đó đi qua lớp sắt trong hõm sóng dừng, rồi tới lớp sắt trong bụng sóng. Trong cấu hình kia, các xung đi qua lớp bụng sóng trước. Trong trường hợp thứ hai, phần nhiều cường độ của xung bị hệ phản xạ trở về - đó là cái người ta trông đợi từ một quá trình gọi là tán xạ cộng hưởng hạt nhân liên quan đến chuyển tiếp đó ở mức 14,4 keV.

Tuy nhiên, trong cấu hình trong đó các xung đi tới lớp hõm sóng trước, có một sự giảm đi rõ nét của suất phản chiếu – nghĩa là hai lớp sắt cùng trở nên trong suốt đối với tia X mà bình thường chúng sẽ phản xạ. Theo Röhlsberger và các đồng sự, đây là bằng chứng của EIT.

Không cần xung điều khiển

Mặc dù sự hình thành một cửa sổ trong suốt cho thấy EIT đang xảy ra trong hệ, nhưng nó không giống với EIT bình thường vì nó không cần tác dụng một xung điều khiển. Thay vậy, sự tương tác điện từ giữa hai lớp sắt giữ vai trò của xung điều khiển.

Theo Röhlsberger, hệ thống của họ cũng có thể tạo ra “tia X chậm”. Thật vậy, ông cho biết hệ trên có thể dùng để tạo ra những đường trễ cho tia X – cái hiện nay rất khó đạt tới. Khả năng điều khiển tia X theo kiểu mới này có thể đưa bức xạ trên vào sử dụng trong những hệ thông tin lượng tử. Tia X thật sự thu hút cho ứng dụng này vì, không giống như những photon nhìn thấy, các photon tia X có thể được phát hiện ra với hiệu suất gần 100%.

Röhlsberger còn tin rằng kĩ thuật trên có thể dùng để đạt được EIT trong những hệ quang không có sẵn ba mức năng lượng thích hợp – ví dụ như các chấm lượng tử.

Tham khảo: DOI: 10.1038/nature10741

Hoài Ân – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn