Lần đầu tiên làm lạnh laser các phân tử ba nguyên tử

Lần đầu tiên các phân tử gồm ba nguyên tử đã được làm lạnh xuống nhiệt độ cực lạnh bằng kĩ thuật laser. Thành tựu đạt được bởi John Doyle và các đồng sự tại Đại học Harvard ở Mĩ. Họ sử dụng một kĩ thuật gọi là làm lạnh Sisyphus để hạ nhiệt độ của một tập hợp gồm khoảng một triệu phân tử strontium-monohydroxide đến khoảng 750 μK. Đội nghiên cứu cho biết công trình trên mở đường cho nhiều ứng dụng đa dạng, ví dụ như mô phỏng lượng tử và đo lường chính xác.

Được phát triển đầu tiên vào cuối thập niên 1970, kĩ thuật dùng laser làm lạnh các chất khí nguyên tử xuống nhiệt độ cực lạnh đã làm cách mạng hóa lĩnh vực nghiên cứu các trạng thái lượng tử của vật chất. Những cột mốc quan trọng bao gồm sự tạo thành ngưng tụ Bose-Einstein lần đầu tiên trong phòng thí nghiệm năm 1995 và ngưng tụ Fermi-Dirac đầu tiên năm 2003. Các kĩ thuật này dựa trên thực tế các photon có mang xung lượng nhỏ và – dưới những điều kiện nhất định – sự hấp thụ và tái phát xạ photon của một nguyên tử có thể làm giảm chuyển động ngẫu nhiên của nó, do đó làm hạ nhiệt độ của nó.

Ảnh chụp các phân tử strontium-monohydroxide

Ảnh chụp các phân tử strontium-monohydroxide trong quá trình làm lạnh. Đốm màu đỏ có kích cỡ khoảng 4 mm và có mật độ phân tử cao nhất. (Ảnh: Ivan Kozyryev et al / Phys. Rev. Lett.)

Các mức tự do

Làm lạnh phân tử bằng laser thì phức tạp, bởi mức độ tự do quay và dao động của chúng ảnh hưởng đến cách chúng hấp thụ và phát xạ photon. Sự hấp thụ và phát xạ photon có thể đưa các phân tử vào “trạng thái tối” không còn tham gia vào quá trình làm lạnh. Tuy nhiên, bất chấp khó khăn này và những thách thức khác, David DeMille và các đồng sự tại Đại học Yale đã thành công trong việc làm lạnh bằng laser một tập hợp phân tử lưỡng nguyên tử strontium-fluoride hồi năm 2014.

Trong công trình mới nhất này, John Doyle và các đồng sự tại Harvard làm lạnh các phân tử ba nguyên tử strontium monohydroxide bằng một phương pháp mang tên người anh hùng thần thoại Hi Lạp Sisyphus, ông bị phạt phải làm một công việc vô nghĩa là đẩy một tảng đá lên đồi, chỉ để nhìn nó lăn xuống. Phương pháp làm lạnh Sisyphus cho các phân tử mất động năng bằng cách ép chúng “leo” lên đồi thế năng do một sóng dừng ánh sáng laser gây ra.

Các nguyên tử lên tới “đỉnh” khi chúng tự phát chuyển sang một trạng thái không còn tương tác với ánh sáng nữa. Tại điểm này, một từ trường ngoài tác dụng đưa các nguyên tử trở lại trạng thái ban đầu – sẵn sàng leo đồi lần nữa. Quá trình lặp lại nhiều lần, với mỗi chu kì làm giảm động năng của các nguyên tử đi một ít – và do đó, chuyển động ngẫu nhiên và nhiệt độ cũng giảm.

Làm lạnh nhanh

Chìa khóa thành công của đội Doyle là quá trình làm lạnh thu được rất nhanh – trong 100 μs – và chỉ liên quan khoảng 200 photon tương tác với mỗi phân tử. Tốc độ này là quan trọng vì như thế các phân tử ít có khả năng bị đưa vào trạng thái tối trước khi quá trình làm lạnh hoàn tất.

Viết trên tạp chí Physical Review Letters, Doyle và các đồng sự cho biết kĩ thuật của họ cũng có thể dùng để làm lạnh các phân tử đa nguyên tử gốc strontium phức tạp hơn và lớn hơn – chẳng hạn thay hydroxide bằng một nhóm methyl. Nếu kĩ thuật trên có thể mở rộng thêm cho việc làm lạnh phân tử, thì nó cũng có thể dùng để nghiên cứu nguyên nhân vì sao một số quá trình sinh học thiên về các phân tử thuận hoặc các phân tử nghịch.

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

Các bài khác


Vũ trụ có nhiều gã khổng lồ hơn chúng ta nghĩ
18/01/2018
Vũ trụ có thể chứa nhiều sao khổng lồ hơn chúng ta vẫn nghĩ. Một bộ phận của Đám mây Magellan Lớn, một thiên hà láng
Nước chậm đông được làm lạnh đến nhiệt độ thấp kỉ lục
16/01/2018
Lần đầu tiên nhiệt độ của nước lỏng chậm đông được đo chính xác đến dưới –40°C. Các nhà nghiên cứu, đứng đầu
Ánh sáng có thật sự kết hợp trở lại sau khi truyền qua hai lăng kính hay không?
15/01/2018
TÓM TẮT. Chúng tôi trình bày một bố trí thí nghiệm đơn giản và rẻ tiền chứng minh rõ ràng các màu của ánh sáng trắng sau
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 4)
12/01/2018
Nhiệt động lực học và entropy Ngoài việc khám phá lực điện từ, nghiên cứu năng lượng ở dạng nhiệt còn đưa đến một
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 3)
12/01/2018
Lực điện từ Nếu ánh sáng thật sự là sóng, thì có vẻ hợp lí thôi nếu ta hỏi: chính xác thì cái gì đang dao động như
Năng lượng tối là gì?
10/01/2018
Trong phần này, đầu óc của bạn bùng nổ bởi vũ trụ đang dãn nở của chúng ta Có lẽ bạn đang choáng váng trước thực tế
Hiệu ứng Hall lượng tử 4D trong phòng thí nghiệm
10/01/2018
Tính chất của một vật liệu 4D giả thuyết đã được mô phỏng trong các thí nghiệm của hai đội vật lí quốc tế. Một đội
Nước chậm đông có thể tồn tại ở hai pha lỏng
07/01/2018
Nước có thể tồn tại ở hai pha lỏng với khối lượng riêng khác nhau. Đó là kết luận của các nhà nghiên cứu ở Thụy
Vui Lòng Đợi

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