Đo chuyển động quay của Trái đất bằng những nguyên tử đang rơi

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa phát triển một loại con quay hồi chuyển mới dựa trên các nguyên tử giao thoa có thể xác định vĩ độ nơi đặt thiết bị - đồng thời còn đo hướng bắc thật sự và tốc độ quay của Trái đất. Các nhà khoa học hi vọng tăng cỡ nó lên để có thể kiểm tra thuyết tương đối tổng quát. Họ còn muốn thu nhỏ công nghệ để nó có thể dùng trong các hệ thống đạo hành lưu động.

Con quay hồi chuyển trên được chế tạo bởi một đội đứng đầu là Mark Kasevich tại trường Đại học Stanford ở California. Nó hoạt động bằng cách chiếu một đám mây nguyên tử thẳng lên trên hơi lệch một chút so với phương thẳng đứng sao cho các nguyên tử đi theo một quỹ đạo parabol vì trọng lực hút chúng xuống. Sau đó, chiếu một chuỗi xung laser vào đám mây nguyên tử đang bay, tách các nguyên tử thành một số chùm khác nhau và đi theo những quỹ đạo khác nhau. Các xung laser được chọn kĩ lưỡng sao cho hai trong những quỹ đạo này có đường đi qua máy dò hạt.

Biết rằng các nguyên tử trên bị chi phối bởi cơ học lượng tử, chúng hành xử giống như sóng với một độ lệch pha tương đối giữa các nguyên tử nhận những quỹ đạo khác nhau. Sự giao thoa thu được tại máy dò một phần là do sự định hướng tương đối của các xung laser, lực hấp dẫn và chuyển động quay của Trái đất.

Các nhà nghiên cứu vừa phát triển một con quay hồi chuyển nguyên tử mới để đo tốc độ quay của Trái đất. (Ảnh: iStockphoto.com/cybrain)

Ở nơi nào trên thế giới?

Dụng cụ được bố trí sao cho các xung laser chiếu ngang – tức là vuông góc với trọng lực – và được kiểm tra bằng cách quay sự định hướng của các xung laser xung quanh trục hấp dẫn. Hình ảnh giao thoa thu được là một đường hình sin gần như hoàn hảo với biên độ phụ thuộc vào tốc độ quay của Trái đất và vĩ độ của nơi thực hiện phép đo. Vì chúng ta biết Trái đất đang quay bao nhanh, nên vĩ độ có thể xác định được dễ dàng. Hướng bắc và hướng nam đích thực được cho bởi hướng của các xung laser, khi biên độ của đường hình sin bằng không.

Vì con quay hồi chuyển trên còn nhạy với chuyển động tương đối riêng của nó so với môi trường xung quanh, nên Kasevich và các đồng sự đã chứng tỏ rằng nó có thể dùng cho “đạo hàng quán tính”, nhờ đó vị trí của một chiếc xe (hay một người) được tính ra bởi việc biết điểm xuất phát của nó và toàn bộ chuyển động mà nó đã thực hiện. Đội nghiên cứu đã chứng minh điều này bằng cách quay con quay hồi chuyển xung quanh trục vuông góc với cả trọng lực và các xung laser, đưa đến một sự biến thiên đều trong sự giao thoa khi vận tốc góc tăng từ zero lên khoảng 1,6 vòng/giây.

Kiểm tra Einstein

Mặc dù đây không phải là con quay hồi chuyển nguyên tử đầu tiên được tạo ra, những đội khoa học cho biết ngưỡng động lực học của nó lớn gấp 1000 lần so với những phiên bản trước đây. Một sự khác biệt quan trọng khác giữa con quay này và những con quay hồi chuyển nguyên tử khác là hình ảnh giao thoa không phụ thuộc vào vận tốc của các nguyên tử, nghĩa là sự nhiễu và sai số trong những phép đo đó không làm giảm hiệu suất của nó.

Sơ đồ thí nghiệm Stanford, bao gồm hai giao thoa kế nguyên tử đặt cạnh nhau. Quỹ đạo parabol của các nguyên tử được thể hiện màu xanh và ánh sáng laser màu cam. (Ảnh: Mark Kasevich)

Kasevich tin rằng kĩ thuật trên còn có thể cải tiến để đo – lần đầu tiên trong một cấu hình phòng thí nghiệm – những hiệu chỉnh nhỏ xíu đối với quỹ đạo của bất kì vật nào thu về từ thuyết tương đối tổng quát của Einstein. “Vì kĩ thuật giao thoa kế nguyên tử của chúng tôi về cơ bản là xác định quỹ đạo, nên cuối cùng, độ lệch pha giao thoa kế sẽ phản ánh những hiệu chỉnh quỹ đạo liên quan đến thuyết tương đối tổng quát”, ông nói. Kasevich và các đồng sự đã có kế hoạch tinh chỉnh kĩ thuật của họ sao cho đủ nhạy để đo hiệu ứng này, gọi là “sự tiến động trắc đạc”, và triển khai nó trong một “tháp rơi” 10 m đang chế tạo tại Stanford.

Mặc dù “sự tiến động trắc đạc” của thuyết tương đối tổng quát trước đây đã được đo bằng những thiết bị gắn trên vệ tinh, nhưng Holger Müller thuộc trường Đại học California, Berkeley nghĩ rằng “sự xác nhận bởi những giao thoa kế nguyên tử sẽ nhận được sự quan tâm lớn”. Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng việc triển khai thí nghiệm nâng cấp trong tháp cao 10 m sẽ là “một thách thức”.

Kasevich còn có kế hoạch triển khai công nghệ trên trong những dụng cụ nhỏ có thể dùng trong các hệ thống đạo hàng - và thật ra ông đã thương lượng với một công ti nhỏ tên gọi là Aosense, trụ sở tại Sunnyvale, California, dự định thực hiện kế hoạch đó. Kasevich cho biết một dụng cụ với thể tích chỉ 1 cm³ có thể hữu ích cho những ứng dụng đạo hàng địa cầu. Thí nghiệm hiện nay chứa trong một lá chắn từ hình lập phương với các cạnh khoảng 50 cm.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Nguồn: physicsworld.com