Kĩ thuật laser mới tạo ra positronium lạnh

(Trái sang phải) Tomu Hisakado, Harry Tom, Allen Mills và David Cassidy, những người vừa phát minh ra một phương pháp mới sản xuất positronium. (Ảnh: M Kelley/UCR Strategic Communications)

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa chứng minh rằng positronium – một trạng thái liên kết có thời gian sống ngắn của một positron và một electron – có thể tạo ra bằng cách bắn một chùm laser lên trên bánh xốp silicon. Vì kĩ thuật trên có thể điều khiển và hoạt động trong một ngưỡng nhiệt độ rộng, nên nó có thể tỏ ra cực kì hữu ích trong cac thí nghiệm nhiệt độ thấp thiết kế ra để tìm kiếm những khác biệt nhỏ trong hành trạng của vật chất và phản vật chất.

Positronium thu hút sự chú ý của các nhà vật lí một phần vì nó có thể dùng để cung cấp positron để tạo ra những nguyên tử phản hydrogen với những trạng thái lượng tử rõ ràng. Phản hydrogen là phiên bản phản vật chất của hydrogen, gồm một positron quay xung quanh một phản proton. Theo Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt cơ bản, phản hydrogen sẽ có phổ nguyên tử giống với hydrogen. Mọi khác biệt giữa hai hạt sẽ tiết lộ một sự bất đối xứng giữa vật chất và phản vật chất có thể giải thích tại sao vũ trụ chúng ta nhìn thấy bị thống trị bởi vật chất, mặc dù người ta cho rằng những lượng vật chất và phản vật chất ngang bằng nhau đã được tạo ra trong Big Bang.

Positronium được khám phá ra vào năm 1951 bởi Martin Deutsch, ông tạo ra nó bằng cách làm dừng positron trong một chất khí. Gần đây hơn, các nhà khoa học đã nghiên cứu cách tạo ra các “nguyên tử” positronium theo kiểu điều khiển được trong một chân không bởi sự phát xạ từ những bề mặt khác nhau, trong đó có silicon.

Hồi tháng 3 năm nay, David Cassidy và các đồng nghiệp tại trường Đại học California, Riverside, đã công bố một bài báo (Phys. Rev. Lett. 106 133401) đã mô tả cách họ cấy một chùm positron từ một nguồn phóng xạ vào một tấm bia silicon rồi sau đó làm nóng tấm bia để giải phóng những positron đã liên kết với electron trong silicon. Tuy nhiên, họ bất ngờ nhận thấy các nguyên tử positronium phát ra không có một ngưỡng năng lượng rộng như người ta trông đợi nếu chúng bị phóng thích do nhiệt từ một bề mặt. Thay vào đó, họ nhận thấy hầu như toàn bộ các nguyên tử có năng lượng bằng nhau, chừng 0,16 eV.

Liên kết với positron thay cho lỗ trống

Các nhà nghiên cứu kết luận rằng các electron bị kích thích từ dải hóa trị của silicon sang dải dẫn của nó đang bị tán xạ vào những trạng thái bề mặt chưa bị chiếm giữ. Thông thường, những electron này sẽ liên kết với những lỗ trống (những chỗ thiếu electron) để tạo ra những cặp electron-lỗ trống gọi là exciton mặt, nhưng nếu các positron có mặt thì thay vào đó các electron có thể kết hợp với chúng để tạo ra những nguyên tử positronium dạng exciton. Theo các nhà nghiên cứu, sự liên kết này sẽ giải phóng một lượng năng lượng xác định và đẩy nguyên tử đó ra khỏi bề mặt silicon.

Nay Cassidy và đội của ông vừa chứng tỏ rằng năng lượng cần thiết để tạo ra những trạng thái dạng exciton này có thể cung cấp hiệu quả hơn nhiều bằng ánh sáng laser thay vì nung nóng mẫu. Ngay trước khi cấy các positron, họ chiếu những xung laser lục lên trên silicon và việc này về thực chất làm tăng thông lượng positronium phát ra. Họ cũng nhận thấy rằng với chùm laser đang mở, thông lượng này sẽ vẫn đáng kể ngay cả nếu silicon lạnh đến gần 0K, cái họ không có thể chỉ ra trực tiếp mà suy luận bằng cách lập đồ thị thông lượng tăng khi họ tăng nhiệt độ lên gần 1000K và sau đó ngoại suy ngược đến không độ tuyệt đối.

Theo Michael Charlton thuộc trường Đại học Swansea ở Anh, khả năng tạo ra những lượng đáng kể nguyên tử positronium như thế này ngay cả những nhiệt độ rất thấp khiến kĩ thuật nền laser thật hấp dẫn cho việc sản xuất phản hydrogen, vì sự kết hợp của phản proton và positronium phải xảy ra trong những cái bẫy rất lạnh. “Đây thật sự là cái giàu sức hút của nghiên cứu trên”, phát biểu của Charlton, một thành viên của thí nghiệm ALPHA tại CERN, nhóm thí nghiệm hồi tháng 5 đã tiết lộ rằng họ đã bẫy được hơn 300 nguyên tử phản hydrogen, một số trong đó bị bẫy lâu hơn 15 phút. “Các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực trên sẽ khai thác ngay kĩ thuật này”.

Một trong những đồng nghiệp của Cassidy, Allen Mills, cho biết bản thân positronium trên nguyên tắc có thể dùng để kiểm tra vật lí cơ bản, thí dụ bằng cách nhỏ giọt một mẫu nguyên tử trên vào trường hấp dẫn của Trái đất để tìm xem, do sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất, phản vật chất thật ra có rơi ngược hay không. Ông còn cho biết nhóm của ông hi vọng tạo ra một ngưng tụ Bose-Einstein positronium trong đó tất cả các nguyên tử sẽ tồn tại trong cùng một trạng thái lượng tử, nghĩa là chúng sẽ tự phân hủy đồng thời và vì thế sẽ tạo ra một chùm laser tia gamma. Ông nói một laser như thế có khả năng dùng để cung cấp những mật độ năng lượng rất cao cần thiết để đánh lửa các phản ứng nhiệt hạch, nhưng ông cảnh báo rằng chừng 10 triệu nguyên tử positronium tạo ra bên trong tấm bia silicon của họ vẫn chỉ đáp ứng một phần triệu số lượng cần thiết để phát ra laser.

Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp