Lần đầu tiên chế tạo thành công laser ‘siêu phát xạ’

Một loại laser mới trong đó ánh sáng được phát ra bởi vài nguyên tử cùng lúc – thay vì chỉ một nguyên tử - vừa được các nhà khoa học ở Mĩ công bố. Laser “siêu phát xạ” của họ, xây dựng trên một khái niệm được mô tả lần đầu tiên hồi năm 1954 bởi nhà vật lí người Mĩ Robert Dicke, có khả năng bền gấp 1000 lần so với những laser khả kiến thông thường tốt nhất. Vì thế có thể sử dụng nó để tăng cường hiệu quả của những đồng hồ nguyên tử tiên tiến nhất, mặc dù cần có thêm nghiên cứu mới đạt tới mục tiêu đó.

Bộ phận chính của một laser thông thường là một hộp cộng hưởng gương trong đó ánh sáng phản xạ tới lui tạo thành một sóng dừng liên quan với bước sóng của ánh sáng phát ra của laser. Hộp cộng hưởng chứa những nguyên tử hay phân tử được “bơm” lên một trạng thái năng lượng cao. Khi một photon tương tác với một nguyên tử hay phân tử, thì đúng một bản sao của photon đó được tạo ra và hai photon này có thể tiếp tục tạo ra bốn photon, và cứ thế. Nếu một lỗ hở ở một trong hai cái gương, thì một chùm kết hợp gồm những photon giống hệt nhau sẽ ló ra, tạo thành chùm tia laser.

Trên nguyên tắc, tất cả những photon này sẽ có bước sóng giống hệt nhau, bước sóng đó được xác định bởi khoảng cách giữa hai gương. Nhưng trong một laser thực tế, hai cái gương có xu hướng dao động, nghĩa là khoảng cách giữa chúng biến thiên theo thời gian xung quanh một giá trị trung bình, nên làm mở rộng sự phân bố bước sóng của ánh sáng sinh ra. Do đó, việc làm ổn định chiều dài của hộp cộng hưởng là yếu tố then chốt để tạo ra những laser có tần số rất ổn định có thể dùng trong đồng hồ nguyên tử và đồng hồ quang học.

Laser siêu phát xạ bắt giữ khoảng một triệu nguyên tử rubidium trong một khe trống khoảng 2 cm giữa hai cái gương. Hai cái gương có thể nhìn thấy tại giữa ảnh chụp này, gắn trên ống trụ bằng kim loại. Ảnh: Burrus/NIST

Sóng dừng nguyên tử

Laser mới do James Thompson và các đồng sự tại trường Đại học Colorado, Boulder, chế tạo tránh được vấn đề hộp cộng hưởng không ổn định do sự kết hợp của ánh sáng phát ra của nó không được duy trì bởi ánh sáng trong sóng dừng đó (và do đó là chiều dài của hộp cộng hưởng) mà bởi một sóng dừng trong sự phân cực điện của các nguyên tử. Thật vậy, gần như toàn bộ ánh sáng tạo ra trong hộp cộng hưởng thoát ra mà không bị phản xạ trên gương, nghĩa là bề rộng của phổ ánh sáng phát ra không bị ánh sáng bởi các dao động gương. Điều đáng chú ý là sóng dừng nguyên tử đó có thể duy trì ngay cả khi có – trung bình – chưa tới một photon phản xạ tới lui trong hộp cộng hưởng.

Để chế tạo laser này, Thompson và các đồng sự bắt đầu với một buồng chân không cực cao chứa một đám hơi nguyên tử rubidium. Các nguyên tử được làm lạnh bằng laser xuống tới khoảng 20 µK và sau đó giữ hai cái gương bằng cách tạo ra một mạng quang 1D, sử dụng một laser bình thường hoạt động ở một tần số khác với tần số của laser siêu phát xạ. Các laser độc lập ở hai bên hộp cộng hưởng dùng để bơm các nguyên tử.

Các nguyên tử kích thích bắt đầu phát ra những photon có bước sóng điều chỉnh theo chiều dài của hộp cộng hưởng. Nhưng trong khi đa số những photon này lập tức thoát ra để tạo thành chùm tia laser, một số lượng cực nhỏ photon phản xạ tới lui trong hộp cộng hưởng để tạo ra một sóng dừng trong sự phân cực điện của các nguyên tử rubidium. Thật bất ngờ, laser này có thể hoạt động kể cả khi có, trung bình, chỉ 0,2 photon bị bẫy trong hộp cộng hưởng.

Đội khoa học tìm thấy rằng laser này cực kì ổn định so với tần số của laser dùng để đưa các nguyên tử vào trạng thái bơm – mặc dù nói cho chính xác thì dụng cụ cũng ổn định như những laser hộp cộng hưởng ổn định tốt nhất. Ngoài ra, đội khoa học chỉ có thể cho chạy laser siêu phát xạ trong thời gian khoảng 140 ms mà thôi.

Một đối thủ tiềm tàng

Đối với những ứng dụng đo lường thực tế, một laser siêu phát xạ sẽ phải hoạt động liên tục hàng giờ hoặc hàng ngày, theo Mark Oxborrow thuộc Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia ở Anh quốc. Tuy nhiên, Oxborrow cho biết rằng laser này có tiềm năng là một “đối thủ” khi xét ở góc độ các laser cực kì ổn định được chế tạo như thế nào. Ông tin rằng laser siêu phát xạ này có thể trở nên rất hữu ích nếu như sự ổn định của nó có thể cạnh tranh với những dụng cụ hộp cộng hưởng ổn định tốt nhất, và điều đó đòi hỏi sự cải tiến thêm bốn bậc độ lớn nữa.

Thompson và các đồng sự của ông tin rằng công nghệ trên có thể ổn định gấp 1000 lần so với các laser thông thường, những dụng cụ đòi hỏi sự cải tiến một triệu bậc nữa về tính ổn định. Trong khi đây sẽ là một cải tiến đáng kể so với thiết kế hiện nay, nhưng Oxborrow cho biết một sự cải tiến hiệu suất lớn như thế là chưa có tiền lệ.

Thompson cho biết đội của ông hiện đang khảo sát phương pháp tạo ra một laser siêu phát xạ sử dụng những nguyên tử trong đó trạng thái kích thích có thời gian sống lâu hơn. Ví dụ của một nguyên tử như thế là strontium, nguyên tử dùng trong các đồng hồ quang học. Những laser siêu phát xạ như thế còn có thể dùng trong các thí nghiệm giao thoa kế đường cơ sở dài để tìm kiếm sóng hấp dẫn. Thompson còn tin rằng laser này có thể sử dụng trong các kính thiên văn khẩu độ lớn, trong đó ánh sáng thu giữ ở những phần khác nhau của thế giới được kết hợp lại để tạo ra một hình ảnh.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature.

Alpha Physics – thuvienvatly.com
Nguồn: 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