Các nhà vật lí Đức điều chế thành công “siêu photon”

Nhóm tác giả tạo ra BEC photon đầu tiên đang kiểm tra thiết bị của họ. Từ trái sang: Julian Schmitt, Jan Klaers, Frank Vewinger và Martin Weitz. (Ảnh: Volker Lannert/Đại học Bonn)

Nhiều nhà vật lí tin rằng điều đó là không thể, nhưng nay một đội nghiên cứu ở Đức vừa tạo ra một ngưng tụ Bose–Einstein (BEC) từ photon. Các BEC hình thành khi những boson giống hệt nhau – boson là những hạt có spin nguyên – được làm lạnh cho đến khi tất cả các hạt ở trong cùng một trạng thái lượng tử. Điều này có nghĩa là một BEC gồm hàng chục nghìn hạt hành xử giống hệt như một hạt lượng tử đơn lẻ.

BEC đầu tiên được tạo ra vào năm 1995 bằng cách làm lạnh một đám mây nguyên tử rubidium đến gần không độ tuyệt đối và ngày nay những ngưng tụ như vậy được sử dụng thường xuyên để nghiên cứu nhiều hiện tượng lượng tử đa dạng. Tuy nhiên, một vài nhà vật lí đã bắt đầu nghĩ tới việc tạo ra một BEC từ boson phổ biến nhất trong vũ trụ - đó là photon. Đấy là vì các photon dễ dàng sinh ra hay bị phá hủy khi chúng tương tác với vật chất khác, khiến người ta rất khó làm lạnh một số lượng photon nhất định để chúng hình thành một ngưng tụ.

Nhưng nay Martin Weitz cùng các đồng nghiệp tại trường Đại học Bonn ở Đức vừa nghĩ ra một phương pháp tách li và làm lạnh photon. Mặc dù họ không thể bắt giữ một số lượng photon nhất định, nhưng con số đó thăng giáng quanh một giá trị trung bình, cho phép tập hợp photon đó được mô tả đặc trưng bằng lí thuyết BEC thông thường.

Bị bẫy giữa hai cái gương

Đội nghiên cứu đã bắt giữ các photon của họ giữa hai chiếc gương lõm đặt cách nhau tối đa 1,5 µm. Khoảng cách này định rõ bước sóng tối đa – hay năng lượng tối thiểu – của một photon bị giam cầm theo chiều dọc bên trong hộp quang giữa hai gương. Hộp quang chứa đầy một chất nhuộm được giữ ở nhiệt độ phòng – và điều quan trọng là năng lượng nhiệt của chất nhuộm đó vào khoảng 1% năng lượng của photon.

Sự chênh lệch năng lượng lớn như thế này có nghĩa là rất không có khả năng cho các photon thêm vào ló ra khỏi chất nhuộm, hay chất nhuộm sẽ hoàn toàn hấp thụ photon. Thay vào đó, các photon va chạm với các phân tử chất nhuộm, cho đi hoặc nhận vào những lượng nhỏ năng lượng. Những tương tác này làm các photon lạnh đi đến nhiệt độ phòng – nhiệt độ đủ lạnh để tạo ra một BEC photon – đồng thời vẫn bảo quản được số lượng photon.

Đội nghiên cứu đã tạo ra BEC trên bằng cách chiếu một laser vào trong hộp quang chứa đầy các photon. Sau đó, laser được duy trì trong suốt thí nghiệm để điều chế các photon bị mất tại gương và mất do sự hoàn hảo trong hộp. Một số photon đi qua một trong hai gương đến một quang phổ kế, thiết bị này đo sự phân bố năng lượng photon bên trong hộp quang. Ở những mức cường độ laser thấp, hộp quang chứa một ngưỡng rộng năng lượng photon với giá trị ngưỡng sắc nét tại năng lượng tối thiểu của hộp quang.

Số lượng photon tới hạn

Khi cường độ laser tăng lên, thì số lượng photon bên trong hộp quang tăng lên và sự phân bố năng lượng rộng duy trì cho đến khi số lượng photon đạt tới khoảng 60.000. Ở trên giá trị ngưỡng này, theo Weitz, chất khí photon đủ đậm đặc cho một BEC hình thành – giống hệt như một giọt chất lỏng ngưng tụ bên trong một chất khí.

Đội nghiên cứu biết được BEC đã hình thành vì một cực đại lớn trong phổ năng lượng photon hiện ra ngay phía trên năng lượng ngưỡng đó. Cực đại này tương ứng với một số lượng lớn photon xếp vào trạng thái năng lượng thấp nhất của hộp quang. Khi cường độ laser tăng thêm nữa, thì số lượng photon trong BEC đạt tới hàng triệu.

Để thuyết phục chính họ rằng cực đại trên có liên quan đến một BEC, chứ không phải vì hộp hành xử giống như một laser, các nhà nghiên cứu đã lặp lại thí nghiệm ở một vài khoảng cách gương khác nhau. Họ nhận thấy cực đại đó luôn luôn xuất hiện tại mật độ photon như nhau – hiện tượng không xuất hiện trong một laser, theo như lời Weitz.

Ảnh minh họa “siêu photon” (Ảnh: Jan Klaers, Đại học Bonn)

Khối lượng hiệu dụng nhỏ

Hộp quang trên có thiết kế dạng phẳng, nghĩa là các photon bị giam cầm trong không gian hai chiều. Là hệ quả của sự giam gầm theo chiều dọc, chúng hành xử như thế chúng là các hạt có một “khối lượng hiệu dụng” tương ứng với năng lượng tới hạn. Khối lượng này vẫn cực kì nhỏ, điều đó lí giải vì sao các photon sẽ hình thành nên BEC ở nhiệt độ phòng và không cần làm lạnh đến các nhiệt độ micro kelvin giống như các nguyên tử.

Tương tác giữa các photon nhỏ hơn nhiều so với tương tác giữa các nguyên tử và điều này có nghĩa là các photon có thể hình thành nên một BEC hai chiều thật sự. Mặt khác, các nguyên tử chỉ có thể hình thành nên một BEC ba chiều.

Theo Weitz, sự tạo ánh sáng nhiệt hóa không nhất thiết đòi hỏi một laser và các dụng cụ có thể được “bơm” bằng những nguồn sáng khác – kể cả Mặt trời. Kết quả là họ tin rằng người ta có thể sử dụng chúng để thu nhỏ kích cỡ của các tế bào mặt trời bằng cách tập trung ánh sáng bên trong các dụng cụ. Ông cũng tin rằng BEC có thể dùng để xây dựng các nguồn sáng kết hợp không liên quan đến laser.

Nguồn: physicsworld.com
Tác giả: Hamish Johnston
Ngày: 24/11/2010