Lần đầu tiên thành công: Giao thoa từng nguyên tử một

Các nhà vật lí ở Mĩ cho biết họ là những người đầu tiên quan sát trực tiếp sự giao thoa nguyên tử độc thân trên những khoảng cách lớn hơn nhiều so với độ dài kết hợp của nguyên tử đó. Thí nghiệm sử dụng nhíp quang học và một chuỗi xung laser để “tống” nguyên tử đó theo hai quỹ đạo khác nhau gặp nhau sau khoảng 1 ms. Đội khoa học cho biết nếu độ chính xác của thí nghiệm có thể cải thiện, thì nó có thể cung cấp thông tin mới về sự tồn tại có thể có của lực hấp dẫn phi Newton ở những khoảng cách micron. Các nhà nghiên cứu cho biết kĩ thuật trên còn có thể dùng để nghiên cứu lực nhỏ xíu phát sinh giữa một nguyên tử và một bề mặt dẫn, đặt tên là “hiệu ứng Casimir-Polder”.

Trong thế giới kì lạ của cơ học lượng tử, một nguyên tử có thể tồn tại trong sự chồng chất của hai hoặc nhiều quỹ đạo cho đến khi có một phép đo vị trí hoặc xung lượng của nó được thực hiện. Tính chất này có thể được khai thác trong một giao thoa kế sóng vật chất, nhờ đó – mặc dù nghe có vẻ lạ lẫm – một nguyên tử độc thân có thể đồng thời đi theo hai quỹ đạo khác nhau đến một máy dò. Các lực tác dụng lên nguyên tử đó sẽ gây ra một sự lệch pha tương đối giữa hai quỹ đạo, mang lại một sự lệch trong hệ vân giao thoa tạo ra nơi hai quỹ đạo đó gặp nhau.

Những thí nghiệm như thế đã được tiến hành trước đây, sử dụng những tập hợp lớn nguyên tử, tạo ra những xung nguyên tử chuyển động theo từng quỹ đạo. Khi đó các nguyên tử tạo ra một hệ vân giao thoa tại máy dò, nó có thể được đo và sử dụng để suy luận ra hằng số hấp dẫn hoặc tìm kiếm những sai lệch khỏi lí thuyết hấp dẫn Newton. Tuy nhiên, cho đến nay, người ta chưa có thể thực hiện sự giao thoa sóng vật chất bằng cách gửi những nguyên tử độc thân qua thiết bị vì đa số thí nghiệm giao thoa kế dạng xung hoạt động dựa trên số lượng nguyên tử đưa vào cao để tăng tín hiệu tại máy dò và do đó thiếu sự kiểm soát tiên quyết ở cấp độ nguyên tử độc thân.

Ảnh chụp thiết bị dùng trong thí nghiệm của đội Sandia

Ảnh chụp thiết bị dùng trong thí nghiệm của đội Sandia. Có thể nhìn thấy ở chính giữa ảnh là một tế bào thạch anh với một thấu kính nhỏ. Đây là thấu kính dùng để tạo ra nhíp quang. (Ảnh: L Paul Parazzoli)

Điều khiển các nguyên tử độc thân

Kĩ thuật sóng vật chất nguyên tử độc thân mới do L Paul Parazzoli, Aaron Hankin và Grant Biedermann phát triển tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia ở New Mexico. Kĩ thuật của họ khác với những thí nghiệm trước đây ở chỗ mỗi nguyên tử bắt đầu và kết thúc hành trình của nó trong những cái nhíp quang học – ánh sáng laser tập trung vào một vùng nhỏ trong đó nguyên tử bị giam giữ.

Các nhà nghiên cứu Sandi đã sử dụng một đám mây gồm những nguyên tử caesium cực lạnh bị bẫy và làm lạnh tới 4,2 μK sử dụng kết hợp cả ánh sáng laser và từ trường. Sau đó họ tạo ra những cái nhíp quang trong chất khí đó có thể giam giữ đúng một nguyên tử, trước khi chiếu một xung laser vào nguyên tử đó để đưa vào một trạng thái lượng tử nhất định. Sau đó các nhíp quang học được tắt đi, để cho nguyên tử đó rơi tự do.

Bị đá lên đá xuống

Sau đó nguyên tử chịu một chuỗi xung ánh sáng cách nhau 500 μs. Xung thứ nhất đưa nguyên tử vào một sự chồng chất của hai trạng thái – một trạng thái nhận một cú hích photon hướng lên làm cho nó bay lên, và một trạng thái đang rơi vì nó không nhận cú hích nào. Sau đó xung thứ hai hoặc đập nguyên tử đang bay lên rớt trở xuống hoặc đá nguyên tử đang rơi xuống bay trở lên – kết quả là hai quỹ đạo sẽ hợp nhất tại thời điểm 500 μs sau đó khi một xung laser thứ ba làm cho đường đi của chúng chồng lên nhau. Khi các trạng thái hợp nhất, nhíp quang được bật trở lại và trạng thái lượng tử của nguyên tử đó được đo lại.

Toàn bộ quá trình sau đó được lặp lại hàng trăm lần để xác định độ lệch pha giữa hai quỹ đạo và từ đó xác định lực hấp dẫn tác dụng lên nguyên tử ở mức 3 × 10–27 N.

Parazzoli, Hankin và Biedermann đã có thể nhìn thấy một hệ vân giao thoa rõ ràng hiện ra khi pha tương đối của các laser xung được điều chỉnh, dấu hiệu của hiện tượng tự giao thoa của các nguyên tử độc thân. Trong thí nghiệm của họ, khoảng cách giữa hai trạng thái nguyên tử lớn cỡ 3,5 μm, lớn gấp 200 lần độ dài kết hợp của các nguyên tử được sử dụng. Như vậy, đội nghiên cứu khẳng định thí nghiệm của họ là minh chứng đầu tiên của sự giao thoa nguyên tử độc thân trong “không gian tự do” – với không gian tự do ám chỉ thực tế nguyên tử đó không bị ràng buộc, cho phép các trạng thái của nó phân tách trong không gian.

“Thật sự đẹp”

Paul Hamilton thuộc trường Đại học California, Berkeley, người không có liên quan trong nghiên cứu trên, gọi thí nghiệm của các nhà nghiên cứu Sandia là “một minh chứng giáo khoa thật sự đẹp của sự giao thoa nguyên tử độc thân”.

Vì kĩ thuật trên sử dụng mỗi lúc một nguyên tử, nên đội Sandia tin rằng nó có thể được sử dụng để thực hiện những phép đo cực kì định xứ của những lực ở rất gần các bề mặt, ví dụ như lực Casimir–Polder xảy ra giữa một nguyên tử và một bề mặt dẫn. Giống như lực Casimir quen thuộc, lực này phát sinh từ năng lượng điểm không của chân không và có những gợi ý cho sự thiết kế và hoạt động của những máy cơ cỡ micron và nanomet.

Đội khoa học còn khẳng định nếu độ nhạy của thiết bị có thể cải thiện thêm hai bậc độ lớn, thì có thể sử dụng nó để lập ra những ràng buộc mới lên các lí thuyết hấp dẫn phi Newton luận ở cấp độ chiều dài micron. Thật vậy, nếu lực hấp dẫn được tìm thấy không tuân theo lực Newton ở những khoảng cách nhỏ xíu như vậy, thì nó có thể cung cấp những manh mối quan trọng về cách thống nhất lí thuyết hấp dẫn với Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt. “Loại phép đo giao thoa này đã thể hiện độ chính xác tuyệt đối trong những trường hợp khác, đó là một đặc tính sẽ rất hữu ích cho việc phát hiện những sai lệch khỏi định luật nghịch đảo bình phương ở thang chiều dài micron,” Parazzoli nói.

Tham khảo: http://arxiv.org/pdf/1208.4868v1.pdf

123physics (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
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Khi dòng điện tác dụng lên nam châm
08/06/2022
Khả năng khai thác lượng điện năng có vẻ vô tận là một trong những nền tảng của thế giới hiện đại. Công nghệ ấy
Nhận thức lịch sử về nam châm
28/05/2022
Vào năm 1600, một bác sĩ người Anh cho biết ngoài trọng lực, Trái Đất còn tác dụng những lực khác khi ông chỉ ra rằng hành
Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com