Khóa luận Thống kê bose – einstein và các ứng dụng trong hệ nhiều hạt

, p(0)), q2(t,q(0),p(0)),, q3N(t,q(0),p(0)) (1.5) p1 (t, q(0), p(0)), p2(t,q(0),p(0)),, p3N(t,q(0),p(0)) (1.6) ↔ { q1(0), q2(0),, qf(0) q(0) (1.7) { p1(0), p2(0),, pf(0) p(0) (1.8) Mỗi trạng thái của hệ đƣợc gọi là một điểm pha (q,p). Do sự chuyển động không ngừng của các hạt trong hệ khiến tọa độ và xung lƣợng của hệ luôn biến đổi theo thời gian, do đó điểm pha của hệ di chuyển vẽ nên quỹ đạo pha. 1.1.2 Các phương pháp nghiên cứu hệ nhiều hạt. Đối với hệ nhiều hạt (N ≥ 2), một trong những khó khăn khi nghiên cứu đó là có biến số lớn(3N). Vì vậy, ta dựa vào các đặc trƣng khác nhau của hệ để có thể lựa chọn các phƣơng pháp giải bài toán phù hợp. Về nguyên tắc, ta chỉ cần giải một số phƣơng trình nhất định, tìm 6N điều kiện ban đầu của hệ là bài toán sẽ đƣợc giải quyết. Tuy nhiên, trong thực tế ta còn gặp phải rất nhiều khó khăn.Vì vậy,đơn giản nhất, căn bản nhất là áp dụng các phƣơng pháp thống kê. 1.2 Tổng quan trạng thái của hệ hạt Boson 1.2.1 Giới thiệu về hệ hạt Boson Boson đƣợc đặt theo tên nhà vật lý học ngƣời Ấn Độ Satyendra Nath Bose. Boson là tất cả các loại hạt có spin nguyên (0, ±1, ±2) tất cả các hạt trong tự nhiên đều đƣợc chia làm hai loại: boson và fermion. Boson có thể nằm cùng một trạng thái lƣợng tử, không tuân theo nguyên lý Pauli. Theo lý thuyết thống kê spin, Boson lấy các giá trị nguyên. Chúng là loại hạt duy nhất tuân theo thống kê Bose – Einstein. 5 1.2.2 Đặc trưng của hệ hạt Boson Trong tự nhiên, các hạt tạo nên từ các hạt cơ bản hơn nhƣ proton hay hạt nhân nguyên tử cũng thuộc nhóm Boson hoặc Fermion tùy thuộc vào tổng spin của chúng. Boson là nhóm các hạt sơ cấp có spin nguyên, tuân theo thống kê Bose – Einstein, bao gồm các hạt mang tƣơng tác điện từ (Photon), tƣơng tác yếu (Boson W và Z), tƣơng tác mạnh (Gluon), tƣơng tác hấp dẫn ( Graviton) và hạt Higgs. Tên Kí hiệu Phản hạt Charge(e) spin Khối lƣợng(GeV/c2) Trung gian tƣơng tác Hạt photon Y Tự nó 0 1 0 Điện từ Xác nhận Boson W W - W + -1 1 80,4 Lực Tƣơng tác yếu Xác nhận Boson Z Z Tự nó 0 1 91,2 Lực Tƣơng tác yếu Xác nhận Gluon g Tự nó 0 1 0 Lực tƣơng tác mạnh Xác nhận Higgs boson H 0 Tự nó 0 0 125,3 Khối lƣợng Xác nhận Graviton G Tự nó 0 2 0 Lực Chƣa 6 hấp dẫn xác nhận Boson W hay hạt W là một hạt cơ bản có khối lƣợng bằng 160.000 lần khối lƣợng của electron hay khoảng 80 lần khối lƣợng của proton hay neutron tƣơng đƣơng với khối lƣợng của nguyên tử Brôm. Boson W là hạt mang điện tích hoặc -1 hoặc +1. Chúng là phản hạt của nhau, nhƣng cả hai đều không là hạt vật chất. Boson W là hạt truyền tƣơng tác trong tƣơng tác yếu, và tồn tại ở một thời gian cực ngắn, chỉ khoảng 3.10-25 giây sau đó phân rã sang các dạng khác. Boson W phân rã tạo thành hoặc là một quark, hoặc là 1 phản quark có điện tích khác hoặc là một lepton điện tích hay phản neutrino. Hình1: Biểu đồ Feynman cho thấy sự trao đổi cặp Boson W. Đây là một trong các ví dụ về sự dao động của hạt trung hòa điện Kaon.[Ảnh Internet] Boson Z hay hạt Z là một hạt cơ bản, có khối lƣợng khoảng 91 GeV/c2, tƣơng đƣơng với khối lƣợng của nguyên tử Zirconium. Boson Z là hạt trung hòa và không có sự khác biệt trong số lƣợng tử. Vì vậy, phản hạt của boson Z chính là boson Z. 7 Boson Z là hạt trung gian trong tƣơng tác yếu và không làm ảnh hƣởng đến điện tích, do khối lƣợng của boson Z là rất lớn so với khối lƣợng của photon; trong lớp năng lƣợng thấp các hiệu ứng trao đổi boson Z là bé nếu so sánh với sự trao đổi photon. Boson Z đƣợc tạo ra bởi quá trình va chạm của electron và positron- phản hạt của electron. Năng lƣợng của vụ va chạm này vừa đủ để sinh ra một boson Z và đã đƣợc nghiên cứu trong máy va chạm tuyến tính ở SLAC. Theo mô hình chuẩnmột lý thuyết Gauge, lực giữa các fermion đƣợc mô hình hóa bằng cách tạo ra các boson, có tác dụng nhƣ các thành phần trung gian. Hệ Lagrange của mỗi tập hợp hạt boson trung gian không thay đổi dƣới một dạng biến đối gọi là biến đổi gauge, vì thế các boson này còn đƣợc gọi là Gauge boson. Gauge boson là các hạt cơ bảnmang tƣơng tác cơ bản. Chúng là W boson của lực hạt nhân yếu, gluon của lực hạt nhân mạnh, photon của lực điện từ, và graviton của lực hấp dẫn.[5] 1.3 Hàm phân bố thống kê Bose – Einstein 1.3.1 . Thống kê Bose – Einsstein Albert Einstein (1879 – 1955) là nhà vật lý học ngƣời Đức. Trong suốt cuộc đời, ông đã xuất bản rất nhiều sách và hàng trăm bài báo về vật lý, về chính trị. Trong vật lý,ông là ngƣời đã phát triển thuyết tƣơng đối tổng quát một trụ cột của vật lý hiện đại. Khi bắt đầu sự nghiệp ông đã nhận ra cơ học Newton không còn thống nhất các định luật của cơ học cổ điển với các định luật của trƣờng điện từ. Từ đó, ông phát triển thuyết tƣơng đối đặc biệt thông qua các bài báo đăng năm 1905. Năm 1916, ông cho ra đời lý thuyết về hấp dẫn, xuất bản một bài báo về thuyết tƣơng đối tổng quát. Năm 1917, Einstein sử dụng thuyết tƣơng đối tổng quát miêu tả mô hình cấu trúc của toàn thể vũ trụ. 8 Năm 1921, ông đƣợc trao giả Nobel Vật Lý “Cho những cống hiến của ông đối với vật lí lí thuyết, và đặc biệt cho sự khám phá ra định luật của hiệu ứng quang điện”.Ngoài những nghiên cứu của bản thân ông còn hợp tác với rất nhiều các nhà khoa học khác để tạo ra các nghiên cứu mới nhƣ thống kê Bose – Einsstein, máy làm lạnh Einstein và nhiều ngiên cứu khác Năm 1924, Einstein nhận đƣợc một miêu tả về mô hình thống kê từ nhà vật lý học ngƣời Ấn Độ Satyendra Nath Bose trên cơ sở một phƣơng pháp đếm với giả sử ánh sáng có thể đƣợc hiểu là khí của các hạt không thể phân biệt đƣợc. Thống kê Bose – Einstein do Satyendra Nath Bose phát triển, Albert Einstein ủng hộ và mở rộng ra đối với các hạt có khối lƣợng và spin nguyên. Thống kê này chỉ áp dụng cho các hạt không bị giới hạn ở vị trí chiếm giữ trong một trạng thái hay các hạt không tuân theo nguyên lý loại trừ Pauli. Những hạt này đƣợc các nhà vật lý gọi chung là Boson. 1.3.2 Hàm phân bố thống kê Bose – Einstein Chúng ta xét hệ có N hạt thay đổi, áp dụng công thức chính tắc lƣợng tử lớn[2]: { } . (1.9) Trong đó: là xác suất xác định trạng thái của hệ. là độ suy biến của hệ ở mức năng lƣợng ; N là số hạt trong hệ; là nhiệt độ tuyệt đối; là thế hóa học; là thế nhiệt động lớn. Gọi là năng lƣợng của một hạt riêng lẻ của hệ; là số hạt trong hệ có cùng năng lƣợng . Nếu hệ gồm các hạt không tƣơng tác thì ta có: 9 ∑ ; (1.10) ∑ (1.11) Vậy phân bố chính tắc lƣợng tử lớn có dạng: ∑ ∑ (1.12) Ta đặt Khi đó phân bố đƣợc viết lại dƣới dạng: ( ∑ ) (1.13) Trong trƣờng hợp tổng quát có thừa số G( vì có khả năng xuất hiện các trạng thái vật lí mới khi chúng ta hoán vị (về tọa độ) các hạt. Đối với hệ boson là hệ đƣợc mô tả bằng hàm sóng đối xứng nên các phép hoán vị về tọa độ không làm xuất hiện trạng thái vật lí mới nên khi đó: Từ định lí xác suất ta có thể tìm đƣợc số hạt trung bình trên mức năng lƣợng bất kì: ̅̅ ̅ ∑ ∑ (1.14) Áp dụng điều kiện chuẩn hóa ta có: ∑ { } (1.15) Với Z = exp { ∑ ) là tổng trạng thái. Ta có: . (1.16) Xét đạo hàm ∑ ∑ (1.17) Suy ra trị trung bình của số chứa đầy : ̅̅ ̅ | (1.18) Đối với hệ hạt Boson: ta có tổng trạng thái: 10 ∑ ∑ ∏ (1.19) Từ đó: ∑ ; (1.20) Theo (1.18) ta có phân bố của các số chứa đầy trung bình: ̅̅ ̅ | ( ) (1.21) Chú ý đến sự suy biến năng lƣợng ở mức và , Thế hóa học theo (1.20) và (1.21) đƣợc xác định từ điều kiện ∑ ̅̅ ̅ = N ta có: ̅̅ ̅ { ) (1.22) Công thức (1.22) đƣợc gọi là công thức của thống kê Bose – Einstein 1.4 Giới hạn áp dụng của hàm phân bố thống kê Boson – Einstein Thống kê Bose – Einstein là lý thuyết thống kê miêu tả hệ lƣợng tử trong đó không giới hạn các hạt phân bố trên cùng một mức năng lƣợng, áp dụng khi hệ có hàm sóng đối xứng nhau hay nói cách khác là ứng với trƣờng hợp khi hạt có spin nguyên. Thống kê Bose – Einstein chỉ áp dụng cho các hạt không bị giới hạn ở vị trí chiếm giữ trong một trạng thái, hay các hạt không tuân theo nguyên lí loại trừ Pauli. Thống kê Bose - Einstein miêu tả tập hợp các hạt không phân biệt đƣợc, không tƣơng tác với nhau ở vào một lớp các trạng thái năng lƣợng rời rạc khác nhau ở cân bằng nhiệt động, một đặc trƣng của các hạt tuân theo thống kê Bose - Einstein lý giải cho nguyên lý hoạt động của Laser và sự chảy không ma sát của heli siêu lỏng. 11 CHƢƠNG II MỘT VÀI ỨNG DỤNG CỦA THỐNG KÊ BOSE – EINSTEIN TRONG HỆ NHIỀU HẠT 2.1 Áp dụng thống kê Bose – Einstein nghiên cứu bức xạ nhiệt cân bằng 2.1.1 Bức xạ nhiệt cân bằng Bức xạ là hiện tƣợng một vật thể phát ra các sóng điện từ lan truyền trong không gian thực chất quá trình phát và lan truyền sóng điện từ là quá trình lan truyền năng lƣợng. Con ngƣời có thể làm cho các vật chất phát sóng điện từ bằng cách truyền năng lƣợng cho nó bằng các tác dụng hóa học, cơ học Phƣơng pháp đơn giản nhất để truyền năng lƣợng cho vật thể là truyền nhiệt trực tiếp cho vật. Bức xạ nhiệt là bức xạ điện từ đƣợc tạo ra bởi các chuyển động nhiệt của các hạt điện tích trong vật chất. Mọi vật luôn bức xạ các sóng điện từ ra môi trƣờng xung quanh. Khi nhiệt độ của vật lớn hơn độ không tuyệt đối thì sự va chạm giữa các nguyên tử hoạt động làm thay đổi động năng của các nguyên tử hoặc phân tử. Điều này làm tăng tốc độ điện tích hoặc gây ra các dao động lƣỡng cực từ đó sản sinh ra bức xạ điện từ. Ở nhiệt độ thấp sóng điện từ bức xạ có tần số nằm trong vùng hồng ngoại, nhiệt độ của vật càng tăng thì tần số cũng tăng theo. Nếu nhiệt độ của vật không đổi thì bức xạ đó đƣợc gọi là bức xạ nhiệt cân bằng. Năng lƣợng truyền đi bằng bức xạ không cần thông qua một môi trƣờng trung gian mặc dù bức xạ có thể chụp, chép lại khi nó đi qua nhiều môi trƣờng khác nhau. Đặc trƣng cho bức xạ là cƣờng độ bức xạ (phụ thuộc vào tần số hoặc bƣớc sóng). Bức xạ phát ra thông qua vùng bƣớc sóng mà bức xạ đó phát ra. 12 Công suất bức xạ là năng lƣợng vật chất mất đi trong một đơn vị thời gian do vật bức xạ. Nó phụ thuộc vào nhiệt độ tuyệt đối của vật bức xạ. Nhiệt độ tuyệt đối của vật càng cao thì công suất bức xạ càng cao và ngƣợc lại. Nếu một vật phát ra bức xạ đáp ứng các đặc tính vật lí của vật đen ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học thì các bức xạ này đƣợc gọi là bức xạ vật đen với công thức nổi tiếng của Planck về mật độ năng lƣợng bức xạ. Định luật Planck mô tả quang phổ của bức xạ vật đen chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của vật. Hình 2: Đường cong bức xạ Planck khi nhiệt độ tăng dần.(Ảnh Internet). Vật đen là một vật có hệ số đặc trƣng cho bức xạ hoặc hấp thụ bằng một. Vật đen đƣợc xem nhƣ là khí photon có spin S = do đó chúng là các hạt boson. Chúng ta sẽ đi tới công thức Planck bằng việc áp dụng thống kê Bose – Einstein cho khí photon. Ở trạng thái cân bằng nhiệt động các photon đƣợc bức xạ và hấp thụ không ngừng, đồng thời năng lƣợng của trƣờng bức xạ không đổi. Mỗi hạt photon mang năng lƣợng , tần số ( ). Vì vậy với khí photon thế hóa bằng không. Ta đƣợc hàm phân bố photon theo các trạng thái lƣợng tử: 13 f(E) = ( ) = ( ) = f( (2.1) kí hiệu là năng lƣợng của photon tƣơng ứng với tần số ; N( là số photon có năng lƣợng . Xét trong không gian vector tổng số trạng thái photon đƣợc xác định bởi ⃗ nằm trong khoảng (k, k+dk) trên một đơn vị thể tích là: (2.2) ở đây thừa số 2 xuất hiện phía trƣớc vì trạng thái lƣợng tử có 2 bội suy biến g = 2 ứng với 2 phân cực độc lập của photon. Thay k = vào (2.2) ta có số trạng thái photon ứng với cả hai phân cực có tần số nằm trong khoảng ( : d (2.3) Vậy ta có thể tính trung bình tổng số photon trong khoảng tần số khảo sát: N = f( = ( ) (2.4) Tiếp tục ta chia năng lƣợng trung bình nhận đƣợc cho khoảng tần số d ta sẽ thu đƣợc năng lƣợng bức xạ của vật đen: ( ) (2.5) Công thức phân bố cƣờng độ bức xạ theo tần số (2.5) đƣợc gọi là công thức Planck. 2.1.2 Các định luật bức xạ a, Định luật Stefan – Boltzmann về bức xạ Năm 1879, Josef Stefan sau khi tiến hành nhiều thí nghiệm về bức xạ nhiệt dựa trên các đo đạc thực nghiệm của John Tyndall đồng thời kết hợp với những cơ sở lý thuyết do Ludwig Boltzmann suy luận ra bằng các tính toán lý thuyết vào năm 1884, sử dụng nhiệt động lực học, đã đúc kết thành định lý Stefan – Boltzman. 14 Định lý Stefan – Boltzmann mô tả năng lƣợng bức xạ từ một vật đen tƣơng ứng với nhiệt độ cụ thể. Công suất bức xạ nhiệt của một vật thì tỷ lệ với lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối của vật bức xạ và diện tích bề mặt của vật bức xạ. Theo công thức Planck (2.5) lƣợng năng lƣợng bức xạ vật đen tuyệt đối dƣới dạng sóng điện từ có tần số nằm trong khoảng ( có dạng: dE( = = ( ) (2.6) Từ công thức (2.1.6) ta xác định năng lƣợng toàn phần của bức xạ cân bằng trong thể tích V có dạng: E = ∫ ∫ ( ) (2.7) Đặt x = rồi tính tích phân: ∫ ; Khi đó (2.1.7) đƣợc viết lại bằng: E = (2.8) Với a = Suy ra: (2.9) Công thức (2.9) là biểu thức của định luật Stefan – Boltzmann. Trong đó: k là hằng số Boltzmann, h là hằng số Planck, c là vận tốc ánh sáng trong chân không. Thực nghiệm chứng tỏ rằng những vật thể hấp thụ mạnh mọi bức xạ tới cũng là những phát xạ tốt và ngƣợc lại những vật thể cho sự phát xạ mạnh những bức xạ tới cũng là những vật thể phát xạ kém. 15 Do mọi vật đều phát ra các bức xạ nhiệt vào môi trƣờng xung quanh nên đồng thời nó cũng hấp thụ bức xạ nhiệt từ các vật thể xung quanh nó. Các vật có sự tập trung dày đặc của các phân tử có tính chất phát xạ tƣơng đƣơng nhƣ vật đen tuyệt đối. Do đó, định luật Stefan – Boltzmann rất gần gũi với thực tiễn, gắn liền với quá trình nóng lên và phát sáng của vật rắn, hay các thiên thể khí đậm đặc nhƣ mặt trời và những ngôi sao Ví dụ tính công suất bức xạ: Cho biết công suất bức xạ của Mặt Trời gần bằng 4. W, bán kính Mặt Trời là 6,5. . Tính nhiệt độ tuyệt đối ở bề mặt Mặt Trời nếu có thể xem Mặt Trời là vật đen tuyệt đối . Tính nhiệt lƣợng của một diện tích là 1 trên bề mặt Trái Đất đƣợc hấp thụ ánh sáng mặt trời trong một giây. Cho biết hệ số hấp thụ của Trái Đất là . bán kính quỹ đạo của chuyển động Trái Đất quanh Mặt Trời là 1,5. km. Tính nhiệt lƣợng đó bằng Cal và eV. Lời giải: Áp dụng công thức tính công suất bức xạ (đối với Mặt Trời) ta đƣợc: = = = 132,8. Suy ra T = 3395 Công suất hấp thụ trên 1 trên bề mặt trái đất: Năng lƣợng Mặt Trời phân bố trên một hình cầu bán kính là khoảng cách đến Trái Đất nên trong một giây năng lƣợng đó là 0,0109J hay bằng 6,8. b, Định luật dịch chuyển Wien. Vào năm 1896, nhà vật lí Wilhelm Wien đã đƣa ra định luật Wien dùng để mô tả quang phổ của bức xạ nhiệt. Phƣơng trình mô tả chính xác ngắn bƣớc sóng(cao tần) phổ phát xạ nhiệt từ các vật thể nhƣng nó không phù hợp với thực nghiệm đối với bƣớc sóng(tần số thấp) phát xạ. 16 Wilhelm Wien đã khảo sát công suất bức xạ của vật đen tuyệt đối ( theo từng bƣớc sóng ở các nhiệt độ khác nhau. Ông dùng cách suy luận nhiệt động lực học và các số liệu thực nghiệm để dẫn đến mối liên hệ giữa công suất bức xạ và bƣớc sóng. Đối với vật thể bức xạ có nhiệt độ tuyệt đối nhất định ứng với bƣớc sóng sao cho bƣớc sóng đó ứng với công suất bức xạ cực đại. Ta viết lại công thức Planck (2.5) theo bƣớc sóng của ánh sáng bức xạ: ( ) (2.10) Sau đó, ta lấy vi phân (2.1.10) theo bƣớc sóng và cho nó bằng 0. Đặt x = (2.11) ta có phƣơng trình siêu việt: x.exp(x) = 5.exp(x) – 5 giải phƣơng trình ta đƣợc nghiệm x = 4,9650. Thay giá trị x vào (2.11) ta đƣợc định luật dịch chuyển Wein: (2.12) với b là hằng số Wien có độ lớn bằng 2,896. m.K; là bƣớc sóng Wien. Tích số của bƣớc sóng Wien và nhiệt độ tuyệt đối của vật bức xạ là một hằng số không đổi. Hình 3: Đồ thị biểu diễn bước sóng ứng với đỉnh của bức xạ đối với quang phổ khác nhau của các vật đen như là một hàm nhiệt độ.[Ảnh Internet] 17 Nếu ta xét mức phát xạ vật thể tối đa trên một đơn vị tần số thì ta phải sử dụng một hằng số tỉ lệ khác nhau nhƣng hình thức vẫn giữ nguyên: bƣớc sóng đỉnh tỉ lệ nghịch với nhiệt độ hay tần số đỉnh tỉ lệ thuận với nhiệt độ. Trong thực tiễn, động vật có vú với nhiệt độ da khoảng 300kK phát ra bức xạ cực đại ở khoảng 10 trong hồng ngoại xa. Hay khi so sánh màu sắc rõ ràng của nguồn sáng (đèn huỳnh quang, đèn LED, photoflash) thƣờng thƣờng phải trích dẫn nhiệt độ màu, ánh sáng huỳnh quang màu xanh – trắng đôi khi đƣợc sử dụng trong văn phòng có thể có nhiệt độ màu 6500K, đèn sợi đốt màu đỏ nhạt có thể có nhiệt độ màu 2000K. c, Định luật Reyleigh – Jeans. Định luật Rayleigh – Jeans do nhà vật lý học Lord Rayleigh phát triển có thể đƣợc sử dụng để mô tả phổ bƣớc sóng dài của bức xạ nhiệt nhƣng không mô tả phổ bƣớc sóng ngắn của phát xạ nhiệt. Quan điểm của vật lí cổ điển coi các nguyên tử phát xạ và hấp thụ liên tục từng lƣợng năng lƣợng bức xạ nhỏ bao nhiêu tùy ý. Định luật Rayleigh – Jeans tƣơng đƣơng với sự phát xạ quang phổ của bức xạ điện từ nhƣ một hàm của bƣớc sóng từ vật đen có nhiệt độ nhất định. Giả sử trong trƣờng hợp . Dựa vào công thức Planck (2.5) ta cũng có thể xác định đƣợc công thức Rayleigh – Jaens có dạng: ; Trong đó: k là hằng số Boltzmann, T là nhiệt độ tuyệt đối. Định luật Raylaigh – Jeans phù hợp với kết quả thực nghiệm ở bƣớc sóng lớn. Có một điều khá thú vị liên quan đến công thức này đó là nó đƣợc tìm ra trƣớc công thức Planck vì vậy ngƣời ta nghĩ rằng nó đúng với mọi tần số. Do đó nảy sinh 18 mâu thuẫn giữa quan sát và dự đoán của vật lí cổ điển đƣợc gọi là “thảm họa tử ngoại”. 2.2 Hiện tƣợng ngƣng tụ Bose – Einstein 2.2.1 Hiện tượng ngưng tụ Bose – Einstein Ngƣng tụ Bose – Einstein (BEC) là trạng thái vật chất đặc biệt của khí Boson loãng, các nguyên tử đƣợc làm lạnh đến nhiệt độ rất gần độ không tuyệt đối. Dựa vào các điều kiện này, một phần lớn các boson tồn tại ở trạng thái lƣợng tử thấp nhất,đó là khi các boson giảm đến trạng thái không vận tốc, tại điểm mà các hiệu ứng lƣợng tử trở nên rõ rệt ở mức vĩ mô. Ta gọi hiệu ứng này là hiện tƣợng lƣợng tử mức vĩ mô.[5] Vào những năm đầu của thế kỷ XX (1924 – 1925), hai nhà vật lí học Satyendra Nath Bose và Albert Einstein đã tiên đoán sự tồn tại của trạng thái vật chất này. Tiên đoán này dựa trên ý tƣởng về một phân bố lƣợng tử cho các photon đƣợc đƣa ra bởi ông Bose để giải thích phổ phát xạ và hấp thụ của vật đen tuyệt đối. Sau đó, Einstein đã mở rộng ý tƣởng của Bose cho hệ hạt vật chất. Trong quá trình nghiên cứu các thí nghiệm đã cho thấy sự phức tạp trong hệ. Những nỗ lực không ngừng của Bose và Einstein đã cho kết quả về khái niệm khí Bose trong lý thuyết thống kê Bose – Einstein miêu tả phân bố thống kê cho những hạt đồng nhất với spin nguyên. Các hạt boson bao gồm photon cũng nhƣ các nguyên tử heli-4 đƣợc phép tồn tại ở cùng một trạng thái lƣợng tử nhƣ nhau. Einstein chứng minh rằng khi làm lạnh hay hạ nhiệt độ của các nguyên tử Boson đến nhiệt độ thấp thì hệ này sẽ tích tụ hay ngƣng tụ lại trong trạng thái lƣợng tử thấp nhất có thể và tạo ra một trạng thái vật chất mới. Sau khi phát hiện ra tính siêu lỏng của heli-4 vào năm 1938, Fritz London đã đề xuất ra các phƣơng pháp gần đúng đầu tiên dựa vào tính siêu chảy của heli-4. Cho đến nay trên khắp thế giới có đến 13 nguyên tố đã đƣợc làm cho ngƣng tụ. Mƣời trong số các ngƣng tụ này đƣợc tạo ra từ mƣời nhóm nguyên cứu khác nhau. Lí thuyết 19 đầu tiên của tƣơng tác khí Bose trong lĩnh vực BEC đƣợc xây dựng vào năm 1947 bởi Bogoliubov. Năm 1995,khí ngƣng tụ đầu tiên đã đƣợc tạo ra bới nhóm của Eric Cornell và Carl Wieman ở phòng thí nghiệm JILA thuộc Viện Công nghệ tiêu chuẩn quốc gia (NIST) tại đại học Colorado ở Boulder. Họ tạo ra bằng cách làm lạnh nguyên tử khí Rubidi đến 170(nK). Cùng thời gian đó, Wolfgang Ketterle ở Học viện Công nghệ Massachusetts tạo ra ngƣng tụ Einstein đối với nguyên tử Natri và duy trì đƣợc hệ 2000 nguyên tử này trong thời gian lâu cho phép ngiên cứ tính chất này của hệ. Chính thành tựu này đã giúp Cornell, Wieman và Ketterle nhận đƣợc giải Nobel Vật Lý vào năm 2001. Cuối cùng một ngƣng tụ nữađƣợc nghiên cứu thành công đó là ngƣng tụ của nguyên tử Hidro đã đƣợc hoàn thành vào năm 1998. Có hai kĩ thuật làm lạnh để tạo ra các nguyên tử BEC loãng trong phòng thí nhiệm bằng cách kết hợp tia laser làm lạnh và làm lạnh bay hơi. Kĩ thuật làm lạnh nhờ kết hợp tia laser dựa trên bẫy các nguyên tử có sự dịch chuyển Zeeman trong bẫy từ - quang và làm lạnh chúng đến khoảng 10 K. Sau đó đƣợc bắn phá bởi các photon trong chùm tia laser phản lan truyền trong không gian ba chiều. Kĩ thuật làm lạnh thứ 2 đƣợc thực hiện bằng cách loại bỏ đuôi năng lƣợng cao của phân bố nhiệt từ cái bẫy do đó làm giảm nhiệt độ. Trong vật lý các hạt đƣợc chia ra làm hai lớp hạt cơ bản: lớp Boson và lớp Fermion. Boson là các hạt có spin nguyên và tuân theo thống kê Bose – Einstein. Đối với mô hình khí lí tƣởng khi nhiệt độ đạt đến độ không tuyệt đối tất cả các hạt boson có thể cùng tồn tại trên một trạng thái lƣợng tự với năng lƣợng thấp nhất. Đó chính là ngưng tụ Bose – Einstein. Trong trƣờng hợp một hệ khí lí tƣởng ba chiều tồn tại một chuyển động pha mà hệ khí sẽ ngƣng tụ ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ này. Sau khi sát hiện tƣợng Ngƣng tụ Bose các nhà vật lí thực nghiệm đã tiếp tục đạt đƣợc những thành công trong việc làm lạnh khí Fermion dù khó hơn nhƣ là đối với boson. 20 Áp dụng thống kê Bose – Einstein cho hệ các hạt có spin nguyên hay spin bằng không (photon, mezon,..) đƣợc gọi là các hạt Boson hay khí Bose. Hình 4: Trạng thái ngưng tụ của nguyên tử Rubidi. Qua hình vẽ ta thấy tốc độ phân bố chuyển động của các nguyên tử theo từng vị trí, màu sắc. Màu đỏ chỉ nguyên tử chuyển động nhanh, màu xanh và màu trắng chỉ nguyên tử chuyển động chậm. Phía bên trái là trước khi xuất hiện ngưng tụ Bose – Einstein. Ở giữa là ngay sau khi ngưng tụ. Bên phải là chỉ trạng thái ngưng tụ xuất hiện rõ hơn. ở đỉnh màu trắng các nguyên tử có cùng vận tốc và vị trí hay cùng trạng thái năng lượng. (Ảnh Internet). Đối với khí Bose lí tƣởng, theo công thức thống kê Bose – Einstein số hạt trung bình có năng lƣợng trong khoảng ( đƣợc xác định: dn( ( ) ; (2.13) trong đó: dN( là số các mức năng lƣợng trong khoảng ( . Ta đi xác định dN( . Theo quan điểm lƣợng tử, các hạt Bose chứa trong thể tích V có thể xem nhƣ các sóng đứng De Broglie. Do đó, ta có thể xác định dN( thông qua công thức cho ta số sóng đứng có chiều dài của vector sóng ⃗ (k, k+dk): dN(k) = (2.14) theo hệ thức De Broglie giữa xung lƣợng và vector sóng ⃗ : 21 ⃗ (2.15) Ta có thể viết lại (2.14) dƣới dạng: dN(p) = (2.16) Đối với hạt phi tƣơng đối tính (v ): (2.17) Ta có: √ (2.18) Theo (2.16): dN( = √ √ Do các hạt có thể có các định hƣớng spin khác nhau nên số trạng thái khả dĩ ứng với một giá trị spin s của hạt là g = 2s+1. Khi đó: dN( √ √ (2.19) Nhƣ vậy theo công thức (2.2.1) số hạt trung bình có năng lƣợng trong khoảng ( là: dn( √ √ ( ) bởi vì số hạt toàn phần là N nên ta có phƣơng trình: ∫ √ ∫ √ ( ) (2.20) Đầu tiên ta có thể chứng minh thế hóa học tiếp theo đó ta có thể chứng minh rằng giảm dần khi nhiệt độ tăng lên ( . Khi đó: N = √ ∫ √ ( ) = ∫ √ (2.21) Hàm dƣới dấu tích phân có giá trị bằng 2,31. 22 Do đó, khi hạ nhiệt độ xuống có thể tăng từ một giá trị âm đến 1 giá trị lớn hơn (nhƣng vẫn âm) và cuối cùng có thể đạt đến giá trị cực đại bằng không ở một nhiệt độ nhất định nào đó. Đối với tất cả các khí Bose, nhiệt độ là rất nhỏ. Đối với Heli-4, thì . Khi nhiệt độ đó khác không sẽ tồn tại một khoảng nhiệt độ nào đó thấp hơn cả nhiệt độ tới hạn : 0 Trong khoảng nhiệt độ đó hiển nhiên . Khi đó đối với điều kiện: chỉ có thể thỏa mãn khi số hạt N’ nhỏ hơn N. Khi và điều kiện (2.19) ( ) (2.22) Do số hạt trong hệ là không đổi, do đó kết quả thu đƣợc phải đoán nhận vật lí một cách đặc biệt. N’ khi chỉ ra số các hạt toàn phần N chỉ có 1 phần số hạt N’ có thể phân bố theo mức năng lƣợng tƣơng ứng: dn( √ √ ( ) √ ( ) (2.23) Ở nhiệt độ thấp hơn một phần các hạt của khí bose sẽ nằm ở mức năng lƣợng thấp nhất và các hạt còn lại sẽ đƣợc phân bố trên các mức khác theo định luật: ( ) Hiện tƣợng 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 ngƣng tụ Bose. Ở nhiệt độ không tuyệt đối, tất cả các hạt của khí Bose sẽ nằm ở mức không. 2.2.2. Đột phá mới trong vật lý với việc tạo ra siêu ánh sáng photon Bƣớc đột phá trong lĩnh vực vật lý khi cho ra đời một loại ánh sáng mới b