Khóa luận Sức căng tại mặt phân cách của ngưng tụ bose – Einstein hai thành phần bị giới hạn bởi hai tường cứng với điều kiện biên robin

i công thức (1.20), tức là 3/2 3/22 3 0 ' ( ) . (2.31)2 exp 1 exp 1 m Vg d N d dn                         (1.32) Các hạt còn lại 'N N , cần phải đƣợc phân bố nhƣ thế nào đó khác đi, chẳng hạn nhƣ tất cả số đó nằm trên mức năng lƣợng thấp nhất, nghĩa là chúng hình nhƣ nằm ở một pha khác mà ngƣời ta quy ƣớc gọi là pha ngưng tụ. Nhƣ vậy ở các nhiệt độ thấp hơn T0 , một phần các hạt của khí bose sẽ nằm ở mức năng lƣợng thấp nhất (năng lƣợng không) và các hạt còn lại sẽ 15 đƣợc phân bố trên các mức khác theo định luật / 1 1e   . Hiện tƣợng mà ta vừa mô tả, trong đó một số hạt của khí bose chuyển xuống mức “năng lƣợng không” và hai phần của khí bose phân bố khác nhau theo năng lƣợng đƣợc gọi là sự ngưng tụ Bose. Ở nhiệt độ không tuyệt đối ( 0T  ) tất cả các hạt boson sẽ nằm ở mức không. 1.3. Tình hình nghiên cứu về ngƣng tụ Bose – Einstein Ngƣng tụ Bose – Einstein là một trạng thái vật chất của khí boson loãng bị làm lạnh đến nhiệt độ rất gần độ không tuyệt đối (hay rất gần giá trị 0 K hay - 273 0 C). Dƣới những điều kiện này, một tỉ lệ lớn các boson tồn tại ở trạng thái lƣợng tử thấp nhất, tại điểm mà các hiệu ứng lƣợng tử trở lên rõ rệt ở mức vĩ mô. Những hiệu ứng này đƣợc gọi là hiện tƣợng lƣợng tử mức vĩ mô. Hiện tƣợng này đƣợc dự đoán bởi Einstein vào năm 1925 cho các nguyên tử với spin toàn phần có những giá trị nguyên. Dự đoán này dựu trên ý tƣởng về một phân bố lƣợng tử cho các photon đƣợc đƣa ra bởi Bose trƣớc đó một năm để giải thích phổ phát xạ và hấp thụ của các vật đen tuyệt đối. Einstein sau đó mở rộng ý tƣởng của Bose cho hệ hạt vật chất. Những nỗ lực của Bose và Einstein cho kết quả về khái niệm khí bose trong khuôn khổ lý thuyết thống kê Bose – Einstein, miêu tả phân bố thống kê của những hạt đồng nhất với spin nguyên, mà sau này Paul Dirac gọi là các boson. Các hạt boson bao gồm photon cũng nhƣ các nguyên tử Heli-4 đƣợc phép tồn tại ở cùng trạng thái lƣợng tử nhƣ nhau. Einstein chứng minh rằng khi làm lạnh các nguyên tử boson đến nhiệt độ rất thấp thì hệ này tích tụ lại (hay ngƣng tụ) trong trạng thái lƣợng tử thấp nhất có thể và tạo lên trạng thái mới của vật chất. 16 Cho đến nay, trên khắp thế giới có tổng cộng 13 nguyên tố đã đƣợc làm cho ngƣng tụ. Mƣời trong số những ngƣng tụ này đã đƣợc tạo ra bởi mƣời nhóm nghiên cứu quốc tế khác nhau. Năm 1938, Fritz London đề xuất trạng thái BEC nhƣ là một cơ chế giải thích cho tính siêu chảy của 4He cũng nhƣ tính siêu dẫn ở nhiệt độ thấp của một số vật liệu. Năm 1995, khí ngƣng tụ đầu tiên đã đƣợc tạo ra bởi nhóm của Eric Cornell và Carl Wieman ở phòng thí nghiệm JILA thuộc Viện Công nghệ Tiêu chuẩn Quốc gia (NIST) tại Đại học Colorada ở Boulder, khi họ làm lạnh khí nguyên tử Rubidi đến nhiệt độ 170 nanokelvin (nk). Cũng trong thời gian này, Wolfgang Ketterle ở Học viện Công nghệ Massachusetts tạo ra đƣợc ngƣng tụ Bose – Einstein đối với nguyên tử Natri và duy trì đƣợc hệ 2000 nguyên tử này trong thời gian lâu cho phép nghiên cứu những tính chất của hệ. Vì vậy mà Cornell, Wieman, Ketterle đƣợc nhận giải Nobel Vật lý năm 2001. Các hạt trong Vật lý đƣợc chia ra làm hai lớp cơ bản: lớp các boson và lớp các fermion. Boson là những hạt với “spin nguyên” (0, 1, 2,...), fermion là các hạt với “spin bán nguyên” (1/2, 3/2,...). Các hạt boson tuân theo thống kê Bose – Einstein, còn các hạt fermion tuân theo thống kê Fermi – Dirac. Ngoài ra các hạt fermion còn tuân theo nguyên lí ngoại trừ Pauli, “hai hạt fermion không thể cùng tồn tại trên một trạng thái lƣợng tử”. Ở nhiệt độ phòng khí boson và khí fermi đều phản ứng rất giống nhau, giống hạt cổ điển tuân thủ theo gần đúng thống kê Maxwell - Boltzman (bởi cả thống kê Bose – Einstein và thống kê Fermi – Dirac đều tiệm cận đến thống kê Maxwell - Boltzman). Có thể khẳng định rằng ở nhiệt độ thấp khí boson có tính chất khác hẳn khí fermi (chẳng hạn nhƣ khí điện tử tự do trong 17 kim loại). Thật vậy, vì các hạt boson không chịu sự chi phối của nguyên lý cấm Pauli nên ở nhiệt độ không tuyệt đối tất cả các hạt đều có năng lƣợng 0  , do đó trạng thái cơ bản của tất cả chất khí là trạng thái có 0E  . Còn đối với khí fermion thì khác, ở nhiệt độ 0T K các hạt lần lƣợt chiếm các trạng thái có năng lƣợng từ 0 đến mức fermion, do đó năng lƣợng của cả hệ khác không  0E  . Việc áp dụng thống kê Bose – Einstein vào hệ hạt có spin nguyên hay spin bằng không (ví dụ nhƣ các photon, các mezon, các nguyên tử trong đó các electron và nucleon là chẵn, ) đƣợc gọi là các hạt boson hay khí boson. Hình 1.1: Trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein của các boson, trong trường hợp này là các nguyên tử Rubidi. Hình vẽ là phân bố tốc độ chuyển động của các nguyên tử theo từng vị trí. Màu đỏ chỉ nguyên tử chuyển động nhanh, màu xanh và trắng chỉ nguyên tử chuyển động chậm. Bên trái là trước khi xuất hiện ngưng tụ Bose – Einstein. Ở giữa là ngay sau khi ngưng tụ. Bên phải là trạng thái ngưng tụ xuất hiện rõ hơn. Ở trạng thái ngưng tụ, rất nhiều nguyên tử có cùng vận tốc và vị trí (cùng trạng thái lượng tử) nằm ở đỉnh màu trắng. (Ảnh: Wikipedia) 18 Ngƣng tụ Bose – Einstein theo quan điểm vĩ mô là tập hợp các hạt có spin nguyên (các boson) trong trạng thái cơ bản tại nhiệt độ thấp và mật độ cao, đã đƣợc quan sát trong một vài hệ Vật lý. Bao gồm khí nguyên tử lạnh và vật lý chất rắn chuẩn hạt. Tuy nhiên, đối với khí boson là phổ biến nhất. Bức xạ của vật đen (bức xạ trong trạng thái cân bằng nhiệt trong một hố thế) không diễn ra sự chuyển pha, bởi vì thế hóa của các photon bị triệt tiêu và khi nhiệt độ giảm, các photon không xuất hiện trong hố thế. Các nghiên cứu về mặt lý thuyết đã coi số photon bảo toàn trong các quá trình nhiệt, tiếp theo sử dụng tán xạ Compton cho khí điện tử, hoặc tán xạ photon – photon trong mô hình cộng hƣởng phi tuyến để tìm điều kiện tạo thành ngƣng tụ Bose – Einstein. Trong một số thí nghiệm gần đây, ngƣời ta đã tiến hành nghiên cứu với khí photon hai chiều trong trạng thái lấp đầy của các vi hốc. Ở đây, ngƣời ta đã mô tả lại ngƣng tụ Bose – Einstein cho các photon. Dạng của vi hốc quyết định cả thế giam cầm và sự không ảnh hƣởng bởi khối lƣợng các photon, làm cho hệ tƣơng đƣơng với một hệ khí hai chiều. Khi tăng mật độ của photon, ta thấy dấu hiệu của ngƣng tụ Bose – Einstein, năng lƣợng photon phân bố chủ yếu ở trạng thái cơ bản, chuyển pha xuất hiện phụ thuộc vào cả giá trị khả dĩ và dạng hình học của hốc thế đƣợc dự đoán từ trƣớc 1.4. Thực nghiệm về ngƣng tụ Bose - Einstein 1.4.1. Ngưng tụ Bose – Einstein đầu tiên của nguyên tố erbium Các chất khí lƣợng tử siêu lạnh có những tính chất đặc biệt mang lại một hệ lí tƣởng để nghiên cứu những hiện tƣợng Vật lý cơ bản. Với việc chọn Erbium, đội nghiên cứu đứng đầu là Francesca Ferlaino thuộc Viện Vật lý Thực Nghiệm, Đại học Innsbruck, đã chọn một nguyên tố rất lạ, đó là vì những tính chất đặc biệt của nó mang lại những khả năng mới và hấp dẫn để nghiên cứu những những câu hỏi cơ bản trong lĩnh vực Vật lý lƣợng tử. 19 “Erbium tƣơng đối nặng và có từ tính mạnh. Những tính chất này dẫn tới một trạng thái lƣỡng cực cực độ của các hệ lƣợng tử”, Ferlaino cho biết. Cùng với nhóm nghiên cứu của mình, bà đã tìm ra một phƣơng pháp đơn giản đến bất ngờ để làm lạnh nguyên tố phức tạp này bằng phƣơng tiện laser và kĩ thuật làm lạnh bay hơi. Ở những nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, một đám mây gồm khoảng 70.000 nguyên tử erbium tạo ra một ngƣng tụ Bose – Einstein từ tính. Trong một ngƣng tụ, các hạt mất đi tính chất cá lẻ của chúng và đồng bộ hóa thành trạng thái của chúng. “Những thí nghiệm với Erbium cho phép chúng tôi thu đƣợc kiến thức sâu sắc mới về những quá trình tƣơng tác phức tạp của những hệ tƣơng quan mạnh và đặc biệt chúng mang lại những điểm xuất phát mới để nghiên cứu từ tính lƣợng tử với những nguyên tử lạnh”, Ferancesca Ferlaino nói. Cesium, Strontium và Erbium là ba nguyên tố hóa học mà các nhà Vật lý ở Innsbruck đã cho ngƣng tụ thành công trong vài năm trở lại đây. Một đột phá quan trọng đã đƣợc thực hiện bởi Rudolf Grimm và nhóm nghiên cứu của ông hồi năm 2002 khi họ thu đƣợc sự ngƣng tụ của Sesium, dẫn tới vô số những kết quả khoa học trong những năm sau đó. Một ngƣời nhận tài trợ START khác, Florian Schreck, một thành viên thuộc nhóm nghiên cứu của Rudolf Grimm, là ngƣời đầu tiên hiện thực hóa một ngƣng tụ của Strontium hồi năm 2009. Và nay Francesca Ferlaino lập tiếp kì công này với nguyên tố Erbium. Cho đến nay, trên khắp thế giới có tổng cộng 13 nguyên tố đã đƣợc làm cho ngƣng tụ. Mƣời trong số những ngƣng tụ này đã đƣợc tạo ra bởi mƣời nhóm nghiên cứu quốc tế khác nhau. Vào năm 2001, Eric Cornell, Wolfgang Ketterle và Carl Wieman đã giành giải Nobel Vật lý cho việc tạo ra ngƣng tụ Bose – Einstein đầu tiên. Ngƣng tụ mới của Erbium, lần đầu tiên đƣợc tạo ra 20 ở Innsbruck, là một mẫu tuyệt vời để bắt chƣớc những hiệu ứng phát sinh từ sự tƣơng tác tầm xa. Loại tƣơng tác này là cơ sở của cơ chế động lực học phức tạp có trong tự nhiên, ví dụ nhƣ xảy ra trong các xoáy địa Vật lý, trong các chất lỏng sắt từ hay trong protein khi gấp nếp. 1.4.2. Loại ánh sáng mới tạo đột phá về vật lý Các nhà khoa học Đức đã tạo ra bƣớc đột phá trong lĩnh vực vật lý khi cho ra đời một loại ánh sáng mới bằng cách làm lạnh các phân tử photon sang trạng thái đốm màu. Cũng giống nhƣ các chất rắn, lỏng và khí, khám phá mới thể hiện một trạng thái của vật chất. Với tên gọi “trạng thái ngƣng tụ Bose – Einstein”, nó từng đƣợc tạo ra vào năm 1995 thông qua các nguyên tử siêu lạnh của một chất khí, nhƣng các nhà khoa học từng nghĩ không thể tạo ra nó bằng các hạt photon (quang tử) – những đơn vị cơ bản của ánh sáng. Hình 1.2: Một "siêu photton" được tạo ra khi các hạt photon bị làm lạnh tới một trạng thái vật chất được gọi tên là "trạng thái ngưng tụ Bose- Einstein" (Ảnh: LiveScience) 21 Tuy nhiên, bốn nhà Vật lý Jan Klars, Julian Schmitt, Frank Vewinger và Martin Weitz thuộc Đại học Bonn ở Đức mới đây thông báo đã hoàn thành “nhiệm vụ bất khả thi” trên. Họ đặt tên cho các hạt mới là “các siêu photon”. Các hạt trong một trạng thái ngƣng tụ Bose – Einstein truyền thống đƣợc làm lạnh tới độ không tuyệt đối, cho tới khi chúng hòa vào nhau và trở nên không thể phân biệt đƣợc, tạo thành một hạt khổng lồ. Các chuyên gia từng cho rằng, các photon sẽ không thể đạt đƣợc trạng thái này vì việc vừa làm lạnh ánh sáng vừa ngƣng tụ nó cùng lúc dƣờng nhƣ là bất khả thi. Do photon là các hạt không có khối lƣợng nên chúng đơn giản có thể bị hấp thụ vào môi trƣờng xung quanh và biến mất – điều thƣờng xảy ra khi chúng bị làm lạnh. Theo trang LiveScience, bốn nhà Vật lý Đức cuối cùng đã tìm đƣợc cách làm lạnh các hạt photon mà không làm giảm số lƣợng của chúng. Để nhốt giữ các photon, những nhà nghiên cứu này đã sáng chế ra một thùng chứa làm bằng những tấm gƣơng đặt vô cùng sát nhau và chỉ cách nhau khoảng một phần triệu của một mét (1 micrô). Giữa các gƣơng, nhóm nghiên cứu đặt các phân tử “thuốc nhuộm” (về cơ bản chỉ có một lƣợng nhỏ chất nhuộm màu). Khi các photon va chạm với những phân tử này, chúng bị hấp thu và sau đó đƣợc tái phát. Các tấm gƣơng đã “tóm” các photon bằng cách giữ cho chúng nhảy tiến – lùi trong một trạng thái bị giới hạn. Trong quá trình đó, các hạt quang tử trao đổi nhiệt lƣợng mỗi khi chúng va chạm với một phân tử thuốc nhuộm. Và cuối cùng, chúng bị làm lạnh tới nhiệt độ phòng. Mặc dù mức nhiệt độ phòng không thể đạt độ không tuyệt đối nhƣng nó đã đủ lạnh để các photon kết lại thành một trạng thái ngƣng tụ Bose - Einstein. 22 Trong bài viết mới đây trên tạp chí Nature, nhà Vật lý James Anglin thuộc trƣờng Đại học Kỹ thuật Kaiserslautern (Đức) đánh giá thử nghiệm trên là “một thành tựu mang tính bước ngoặt”. Các tác giả của nghiên cứu này cho biết thêm rằng, công trình của họ có thể giúp mang tới những ứng dụng trong việc chế tạo các loại laser mới, với khả năng sinh ra ánh sáng có bƣớc sóng vô cùng ngắn trong các dải tia X hoặc tia cực tím. 1.4.3. Kỹ thuật lưu trữ và khôi phục ánh sáng Các nhà vật lý Mỹ giờ đây đã có thể ghi một xung ánh sáng đồng bộ vào một tập hợp các nguyên tử siêu lạnh - và sau đó khôi phục lại nguyên dạng xung sáng đó từ một tập hợp các nguyên tử thứ hai ở cách đó một khoảng cách nào đó. Thí nghiệm đã chứng tỏ rằng các hạt vĩ mô là khó có thể phân biệt một cách rạch ròi nhƣ cơ học lƣợng tử đã nói mặc dù chúng có thể tách biệt về mặt vật lý. Thí nghiệm đƣợc tiến hành bằng cách sử dụng các nguyên tử ngƣng tụ Bose Einstein đƣợc làm lạnh tới nhiệt độ mà tất cả chúng ở cùng một trạng thái lƣợng tử (Theo bài báo đăng trên tạp chí Nature) Để bắt ánh sáng "nhảy" từ chỗ này sang chỗ khác, Lene Hau và các đồng nghiệp ở Đại học Harvard đã khai thác một kỹ thuật đƣợc họ phát triển từ năm 2001 để giữ các xung ánh sáng trong trạng thái ngƣng tụ Bose-Einstein, có thể làm cho ánh sáng laser đi chậm đến mức gần nhƣ đứng lại. Kỹ thuật này bao gồm việc chiếu một xung từ một đầu phát laser vào các nguyên tử Na ở trạng thái BEC, làm cảm ứng đến việc phân bố các dao động nhỏ của điện tích trong nguyên tử. Nhà vật lý Lene Vestergaard Hau sử dụng những tia laser và các đám mây cực nhỏ để che nguyên tử siêu lạnh làm cho ánh sáng đi chậm đến mức gần 23 nhƣ đứng lại. Thông thƣờng các lƣỡng cực sẽ phát xạ và nhanh chóng bị phân rã, nhƣng khi chiếu một chùm laser có điều khiển vào các nguyên tử, chúng sẽ chuyển các dao động trong điện tử thành các dao động của spin mà dao động này ổn định hơn. Vì thế, khi mà xung laser này tắt đi, thông tin của đầu phát laser sẽ đƣợc ghi lại trên dao động của lƣỡng cực spin của nguyên tử. Đảo tia laser điều khiển để giải phóng ánh sáng, cho phép các nguyên tử bức xạ lại kết hợp (ví dụ nhƣ đồng pha với xung dò ban đầu). Điểm khác biệt trong kỹ thuật mới là xung đƣợc làm chậm để tái hiện lại tại vị trí BEC cách đó khoảng 1,6 mm. "Thủ đoạn đánh lừa" ở đây là hàm sóng của lƣỡng cực spin thực ra là một sự chồng chập của các nguyên tử trong trạng thái cơ bản và trong trạng thái kích thích spin. Nhờ có nguyên lý bảo toàn xung lƣợng mà các nguyên tử ở trạng thái kích thích spin sẽ di chuyển khỏi BCE ban đầu khi nguyên tử hấp thụ photon từ xung laser, trong khi nguyên tử ở trạng thái cơ bản thì đứng yên tại vị trí đó. Nội dung thông tin của xung đầu dò đã đƣợc "in dấu" trên dao động quay tròn các lƣỡng cực của nguyên tử BEC đầu tiên (trên). Trong thí nghiệm mới này xung cản trở đƣợc làm để xuất hiện BEC thứ 2 cách xa khoảng 160 µm (dưới). Hình 1.3 24 Một điểm sáng tạo là nhóm ở Harvard đã quyết định đợi cho đến khi nguyên tử kích thích spin đi đến vị trí ngƣng tụ thứ hai trƣớc khi tác dụng lại các laser điều khiển. Và họ nhận ra rằng tập hợp các nguyên tử tách biệt một cách vật lý này sau đó có thể phát xạ lại ánh sáng ban đầu. Xung ánh sáng đƣợc khôi phục này lan truyền một cách chậm rãi khỏi vị trí BEC thứ hai trƣớc khi đạt vận tốc 300000 km/s nhƣ vốn có của ánh sáng. Vì hai vị trí BEC đƣợc tạo ra hoàn toàn độc lập, nên ta có thể hy vọng sự gửi đi các bó sóng từ vị trí đầu tiên đến một vị trí xa lạ BEC thứ hai. Thực tế không hẳn là hàm sóng ở trạng thái cơ bản có một thành phần trên cả hai vị trí BEC trong cùng một thời điểm để có thể tổ hợp với thành phần bị kích thích spin khi nó đến vị trí thứ hai. Thí nghiệm là một minh chứng hùng hồn của việc không phân biệt lƣợng tử. "Bằng cách thao tác cho vật chất sao chép lại nguyên bản ánh sáng ban đầu, chúng ta có thể sử dụng trong việc xử lý thông tin quang" - Hau phát biểu. Bà phát biểu trên Physics Web rằng thí nghiệm này có thể sẽ đƣa đến kỹ thuật xử lý thông tin quang trong viễn thông quang và mạng thông tin lƣợng tử. Một ứng dụng khác có thể là cảm biến quay siêu nhạy hoặc detetor trọng trƣờng. Ngoài vài ứng dụng đã kể trên thì còn rất nhiều ứng dụng khác nữa và khả năng tiềm tàng của BEC còn rất lớn và đang tiếp tục đƣợc khám phá. 1.4.4. Các nhà Vật lý khẳng định sự tồn tại của trạng thái ngưng tụ polartion Các nhà Vật lý Mỹ nói rằng họ chứng kiến một sự kết hợp độc đáo của một trạng thái ngƣng tụ Bose – Einstein trong một hệ các giả hạt đƣợc làm lạnh đƣợc gọi là polarition. Mặc dù những khẳng định tƣơng tự đã từng đƣợc 25 công bố trƣớc đó, nhƣng các nhà nghiên cứu khác trong lĩnh vực này vẫn hoài nghi rằng sự kết hợp này là một hiệu ứng của chùm laser đƣợc dùng để tạo ra các polariton, có nghĩa là hệ không chắc chắn là ngƣng tụ. Thí nghiệm mới này đã hoàn toàn loại bỏ những nghi ngờ bằng cách tích lũy polartion từ các chùm. Lần đầu tiên đƣợc tạo ra vào năm 1995 từ hơi nguyên tử Rubidi, trạng thái ngƣng tụ Bose – Einstein (BEC) là một hệ mà trong đó một số lƣợng lớn các hạt boson (các hạt có spin nguyên) chồng chập trong một trạng thái cơ bản giống nhau. Điều này cho phép các boson biểu hiện các thuộc tính cổ điển ngẫu nhiên của chúng và dịch chuyển nhƣ một trạng thái kết hợp, và rất có ý nghĩa cho các nghiên cứu về hiệu ứng lƣợng tử ví dụ nhƣ siêu chảy trong một hệ vĩ mô. Điều trở ngại ở đây là sự thay đổi trạng thái thƣờng chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất thấp, gần không độ tuyệt đối. Tuy nhiên, các polariton – các boson bao gồm một cặp điện tử - lỗ trống và một photon lại nhẹ hơn hàng ngàn lần so với nguyên tử rubidi, do đó có thể tạo ra trạng thái BEC ở tại nhiệt độ cao hơn nhiều. Khẳng định đầu tiên về sự ngƣng tụ này đƣợc công bố vào năm 2006 khi mà Jacek Kasprzak (Đại học Tổng hợp Joseph Fourier. Grenoble, Pháp) cùng với các đồng nghiệp Thụy Sĩ và Anh sử dụng một chùm laser tăng một cách đều đặn mật độ của các polariton trong một vi cầu chất bán dẫn đƣợc giữ ở nhiệt độ khá cao là 19K. Họ quan sát thấy ở trên một mật độ tới hạn, các polarition bắt đầu biểu hiện thuộc tính kết hợp của trạng thái BEC. Một số nhà nghiên cứu khác trong lĩnh vực này lại nghi ngờ rằng các polariton dù ở trạng thái BEC thật, nhƣng bởi vì thuộc tính này chỉ có thể quan sát thấy trong một vùng đƣợc kích thích bởi chùm laser mà vốn tự nó đã kết hợp đƣợc rồi. 26 Và để giải quyết rắc rối này, nhóm của David Snoke ở Đại học Tổng hợp Pittsburgh và các cộng sự ở Phòng thí nghiệm Bell (Mỹ) tạo ra một hệ tƣơng tự mà trong đó các polartion đƣợc tạo ra bởi các tia laser sau đó di chuyển khỏi vùng kích thích của laser. Điều này đƣợc thực hiện nhờ một ghim nhỏ chiều ngang 50 micrô, để tạo ra một ứng suất bất đồng nhất trên vi cầu, có nghĩa là tạo ra nhƣ một bẫy để tích lũy các polartion. Và ở hệ này, trạng thái BEC vẫn chỉ đạt đƣợc ở nhiệt độ thấp tới 4,2 K. Hình 1.4: Sơ đồ bố trí của hệ bẫy các polariton (Science 316, 1007). Mặc dù ở nhiệt độ này thấp hơn nhiều so với nhiệt độ 19 K mà nhóm của Kasprzak đã công bố, nhƣng Snoke đã nói trên Physics Web rằng sau khi xuất bản công trình này, nhóm đã tạo ra hiện tƣợng này ở nhiệt độ cao tới 32 K: “Có hàng trăm nguyên nhân để hi vọng chúng tôi có thể đạt tới nhiệt độ cao hơn, cao hơn nữadù không thể giả thiết có thể đạt tới nhiệt độ phòng nhưng trên 100K không phải là không thể đạt được trong khả năng của chúng tôi”. Hơn nữa, các vi cầu (hay vi hốc – microcavity) đƣợc tạo ra bởi vật liệu bán dẫn phổ thông GaAs trong hệ bẫy tƣơng tự từng đƣợc dùng trong các khí nguyên tử mà có thể dễ dàng chế tạo cho các nhóm nghiên cứu khác. 27 Hình 1.5: Phân bố xung lượng của các polariton (Science 316, 1007). Tuy nhiên, cũng vẫn còn một số nghi ngờ là liệu có phải hệ của nhóm Snoke là trạng thái BEC trong các xu hƣớng truyền thống hay không vì các polariton có thời gian sống khá ngắn đến nỗi các hệ chỉ có thể đạt đƣợc trạng thái chuẩn cân bằng. “Một số người muốn hạn chế việc sử dụng khái niệm BEC cho một hệ ở trạng thái cân bằng thực sự” – Snoke nói – “Mặt khác, lại có một số người khác muốn tổng quát hóa cùng trong một loại hệ hỗn hợp bao gồm cả laser. Thực ra đó là một câu hỏi mang tính chất thuật ngữ thì đúng hơn”. 1.4.5. Chất siêu dẫn mới Mới đây, các nhà khoa học thuộc Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia cùng phối hợp với trƣờng đại học Colorado (Mỹ) đã thành công trong việc tạo ra một loại chất mới. Loại vật chất này là một dạng cô đặc của các hạt cơ bản: electron, proton và neutron. Đó còn là dạng vật chất thứ sáu đƣợc con ngƣời khám phá sau những dạng: chất khí, chất rắn, chất lỏng, khí plasma và Bose – Einstein cô đặc đã đƣợc tạo ra từ năm 1995. Deborah Jin (đại học Colorado) cho biết, loại vật 28 chất mà các đồng nghiệp của bà vừa tạo ra là đột phá khoa học trong việc cung cấp một kiểu mới cho hoạt động của cơ học lƣợng tử. Loại vật chất mới này có khả năng tạo ra một mối liên kết giữa hai lĩnh vực hoạt động khoa học là chất siêu dẫn và Bose – Einstein, tạo cơ sở phát triển những ứng dụng thiết thực khác. Hiện nay, theo ƣớc tính có khoảng 10% lƣợng điện ta sản xuất ra bị tiêu hao trên đƣờng chuyển tải, làm nóng đƣờng dây. Nếu ứng dụng vật liệu chất siêu dẫn vào làm dây dẫn điện thì quá trình chuyển tải điện không còn bị hao hụt bởi điện trở nữa. Ngoài ra, chất siêu dẫn còn cho phép sáng chế ra những loại xe lửa bay trên đệm từ trƣờng dựa trên cơ sở nguồn năng lƣợng hiện đang đƣợc sử dụng. Do đƣợc giải phóng khỏi ma sát, đoàn tàu sẽ lƣớt đi theo đƣờng từ trƣờng ở tốc độ cao hơn. Jin cùng với hai đồng nghiệp Eric Cornell và Carl Wieman đã đoạt giải Nobel Vật lý năm 2001 cho phát minh ra vật chất Bose – Einstein cô đặc. Loại vật chất này đƣợc tạo ra từ tập hợp của hàng nghìn phần tử cực lạnh tạo thành trạng thái lƣợng tử đơn, tƣơng tự một siêu nguyên tử. Còn loại vật chất mới mà nhóm nghiên cứu của bà vừa tạo ra khác với Bose – Einstein. Nó đƣợc tạo thành từ những khối hạt vật chất là proton, electron và neutron trong môi trƣờng chân không đƣợc làm lạnh xuống gần tới độ không tuyệt đối. Tại nhiệt độ đó, các phần tử vật chất ngừng hoạt động. Sau đó, từ trƣờng và tia laser điều khiển để những nguyên tử kết đôi lại với nhau. Loại nguyên tử mới này có sức hút mạnh hơn những nguyên tử thông thƣờng, đem đến cho thế giới nhiều ứng dụng mới thiết thực cho cuộc sống hàng ngày của con ngƣời. 1.4.6. Lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng Hall ở một ngưng tụ Bose - Einstein 29 Các nhà nghiên cứu ở Viện Tiêu Chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mỹ vừa lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng Hall ở một chất khí gồm những nguyên tử cực lạnh. Hiệu ứng Hall là một tƣơng tác quan trọng của từ trƣờng và dòng điện thƣờng xảy ra với kim loại và chất bán dẫn. Các biến tấu của hiệu ứng Hall đã đƣợc sử dụng trong kĩ thuật và trong Vật lý với các ứng dụng đa dạng từ những hệ thống tự đánh lửa tự động cho đến những phép đo cơ bản của điện học. Khám phá mới có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cơ sở Vật lý của các hiện tƣợng lƣợng tử ví dụ nhƣ sự siêu chảy và hiệu ứng Hall lƣợng tử. Đƣợc Edwin Hall phát hiện ra vào năm 1879, hiệu ứng Hall dễ hình dung nhất ở một chất dẫn điện hình chữ nhật nhƣ một tấm đồng khi có một dòng điện chạy dọc theo chiều dài của nó. Một từ trƣờng đặt vuông góc với dòng điện (vuông góc với tấm đồng) làm lệch đƣờng đi của các hạt mang điện trong dòng điện (electron chẳng hạn) bằng cách gây cảm ứng một lực theo chiều thứ ba vuông góc với cả từ trƣờng và dòng điện. Lực này đẩy các hạt mang điện về một phía của tấm kim loại và gây ra một điện thế, hay “hiệu điện thế Hall”. Hiệu điện thế Hall có thể dùng để đo những tính chất tiềm ẩn bên trong các hệ thống điện, ví dụ nhƣ nồng độ hạt mang điện và dấu điện tích của chúng. “Các hệ nguyên tử lạnh là một nền tảng quan trọng để nghiên cứu nền Vật lý phức tạp vì chúng gần nhƣ không có tạp chất gây cản trở, các nguyên tử chuyển động chậm hơn nhiều so với các electron trong chất rắn, và các hệ cũng đơn giản hơn nhiều”, phát biểu của nhà nghiên cứu NIST Lindsay LeBlanc. “Thủ thuật là tạo dựng những điều kiện sẽ khiến các nguyên tử hành xử theo kiểu thích hợp”. 30 Việc đo hiệu ứng Hall ở một ngƣng tụ Bose – Einstein xây dựng dựa trên công trình NIST trƣớc đây tạo ra điện trƣờng và từ trƣờng nhân tạo. Trƣớc tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng laser buộc năng lƣợng của các nguyên tử với xung lƣợng của chúng, đƣa hai trạng thái nội vào một liên hệ gọi là sự chồng chất. Việc này làm cho các nguyên tử trung hòa điện tác dụng nhƣ thể chúng là những hạt tích điện. Với đám mây gồm khoảng 20.000 nguyên tử tập trung thành một quả cầu loãng, sau đó các nhà nghiên cứu cho lực bắt giữ biến thiên tuần hoàn – đẩy các nguyên tử trong đám mây lại với nhau và rồi hút chúng ra xa – để mô phỏng chuyển động của các hạt mang điện trong một dòng xoay chiều. Đáp lại, các nguyên tử bắt đầu chuyển động theo kiểu giống hệt về mặt toán học với cách các hạt tích điện chịu hiệu ứng Hall sẽ chuyển động, tức là vuông góc với cả chiều của dòng “điệ