Biến phonon ảo thành thật

Một tương đương âm học của hiệu ứng Casimir động (DCE) vừa được chứng minh lần đầu tiên. Do các nhà vật lí ở Pháp thực hiện, thí nghiệm làm biến đổi các thăng giáng lượng tử thành những cặp sóng âm lượng tử hóa – hay phonon – trong một chất khí nguyên tử cực lạnh. Hệ thống thí nghiệm có thể củng cố kiến thức của chúng ta về cách thức bức xạ tự phát xuất hiện từ chân không. Thật vậy, đội khoa học còn cải tiến bố trí thí nghiệm để có thể dùng nó mô phỏng sự phát bức xạ Hawking, một loại bức xạ chân không tự phát tạo ra tại rìa của các lỗ đen.

Một trong những phương diện lạ lùng của cơ học lượng tử là chân không không bao giờ thật sự trống rỗng. Thay vậy, nó có chứa một lượng nhỏ năng lượng và lúc nhúc những hạt sinh ra từ hư vô, sinh ra để rồi biến mất trở lại. Một hệ quả nổi tiếng của hiệu ứng này là lực Casimir, trong đó hai cái gương song song đặt sát nhau trong chân không chịu một lực hút về phía nhau. Trong khi lực này đã được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1948 bởi nhà vật lí người Hà Lan Hendrik Casimir, nhưng vì nó quá nhỏ nên mãi đến năm 1997 người ta mới đo được nó trong phòng thí nghiệm.

Hình minh họa một ngưng tụ Bose-Einstein (màu xanh lục) bị bẫy như thế nào bởi một chùm laser (màu đỏ) và sau đó bị nén để tạo ra những phonon truyền theo những hướng ngược nhau. (Ảnh: Physical Review Letters)

Tách các hạt ảo ra

Vào năm 1970, nhà vật lí người Mĩ Gerald Moore đã đề xuất hiệu ứng Casimir động, xây dựng trên hệ thống gương căn bản của Casimir và chỉ ra làm thế nào những photon ảo này có thể biến đổi thành photon thật. Ý tưởng là pha của một sóng điện từ giảm xuống zero tại mặt gương. Tuy nhiên, nếu cái gương đó được gia tốc đến một phần đáng kể của tốc độ ánh sáng, thì trường điện từ không có thời gian để điều chỉnh. Kết quả là cái gương có thể tách các hạt ảo ra trước khi chúng hủy nhau – giữ cho chúng tồn tại đủ lâu để phát hiện được.

Tuy nhiên, việc gia tốc cái gương lên những tốc độ cao này trong phòng thí nghiệm cho đến nay tỏ ra là chuyện không thể. Để giải quyết vấn đề này, Chris Wilson và các đồng sự tại trường Đại học Chalmers đã sử dụng một dụng cụ giao thoa lượng tử siêu dẫn (SQUID) làm một cái gương dao động – và vào năm 2011 họ khẳng định đã chứng minh lần đầu tiên DCE trong phòng thí nghiệm.

Nay Chris Westbrook và các đồng sự tại Phòng thí nghiệm Charles Fabry tại trường Đại học Paris-Sub cho biết họ vừa tạo ra cái tương đương âm học đầu tiên cho DCE – sử dụng các phonon ảo thay cho photon. Thí nghiệm của họ được truyền cảm hứng từ một công trình lí thuyết do Iacopo Carusotto thuộc trường Đại học Trento ở Italy và các đồng sự thực hiện vào năm 2010. Các nhà vật lí người Italy cho rằng một hiệu ứng Casimir động âm học sẽ có mặt trong một ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) khi có sự biến đổi nhanh chiều dài tán xạ chi phối cách các nguyên tử thành phần của nó tương tác. Một BEC hình thành khi các boson giống hệt nhau – boson là những hạt có spin nguyên – được làm lạnh cho đến khi toàn bộ những hạt đó ở trong trạng thái lượng tử giống nhau. BEC là nơi lí tưởng để tìm kiếm các hiệu ứng lượng tử bởi vì nhiệt độ cực thấp của chúng làm giảm thiểu các tác động của môi trường nhiệt nhiễu.

Làm thay đổi tốc độ của sóng âm

Đội khoa học đã tạo ra BEC của họ bằng cách làm lạnh khoảng 100.000 nguyên tử helium xuống còn khoảng 200 nK. Thay vì làm thay đổi chiều dài tán xạ, đội nghiên cứu nhận thấy rằng họ có thể thu được DCE bằng cách làm thay đổi tốc độ của sóng âm bên trong BEC đó. Yêu này này được thực hiện bằng cách nén BEC qua sự tăng nhanh cường độ sáng của laser bẫy các nguyên tử.

Sự nén ép này làm cho các phonon ảo trở thành những cặp phonon thật truyền đi theo hướng ngược nhau. Những photon này không thể phát hiện ra trực tiếp. Thay vậy, các nhà vật lí tắt laser đi và rồi đo vận tốc của các nguyên tử khi chúng rời khỏi đám mây nguyên tử. Phép đo cho thấy các kích thích với xung lượng bằng nhau và ngược chiều đang di chuyển qua BEC – các kích thích không có mặt khi BEC chưa bị nén.

“Trước khi tôi bắt đầu làm thí nghiệm này, tôi đã nghe nói tới [hiệu ứng Casimir động] và có vẻ nó hết sức phức tạp,” Westbrook nói. “Khi làm thí nghiệm này mới thấy không hẳn vậy. Nó là một minh họa cụ thể của cái có thể xảy ra. Và một khi bạn có thể hiểu rõ về nó, bạn có thể bắt đầu làm thay đổi các điều kiện và nghĩ tới những thứ khác [ví dụ như] bức xạ Hawking.”

Nuốt chửng sóng âm

Vào năm 2009, Jeff Steinhauer và các đồng sự tại Viện Công nghệ Israel ở Haifa đã tạo ra một tương đương âm học của một lỗ đen, nó nuốt chửng sóng âm thay vì ánh sáng. Westbrook cho biết đội khoa học của ông đặc biệt quan tâm chuyện kết hợp hai hệ thống để cuối cùng tạo ra một tương đương âm học cho sự phát xạ Hawking, một loại bức xạ chân không tự phát xảy ra ở gần rìa của các lỗ đen.

Một hạn chế khả dĩ của thí nghiệm mới là DCE được gieo mầm bởi sự nhiễu nhiệt tỏng BEC – không phải bởi các thăng giáng chân không lượng tử. Đây là bởi vì cho dù ở nhiệt độ băng giá 200 nK, các hiệu ứng nhiệt vẫn là đáng kể và do đó người ta có thể cho rằng thí nghiệm này không chứng minh được hiệu ứng Casimir động “thuần khiết”.

Steinhauer đồng ý rằng mục tiêu sẽ là phát hiện ra các phonon có tương quan được gieo mầm bởi những thăng giáng lượng tử. Nhưng ông cho biết nghiên cứu trên là một “bước tiến đẹp” hướng tới mục tiêu đó.

Daniele Faccio tại trường Đại học Heriot Watt ở Eddingburg, Anh quốc, tán thành rằng bước tiếp theo quan trọng nhất cho đội khoa học là hạ nhiệt độ của BEC. Tuy nhiên, Faccio cho biết ông cảm thấy thí nghiệm hiện nay vẫn là một minh chứng cho cơ sở vật lí của DCE.

Tham khảo: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v109/i22/e220401

Nguồn: physicsworld.com