Tạo ra ánh sáng từ chân không

Các nhà vật lí tại trường Đại học Công nghệ Chalmers vừa thành công trong việc tạo ra ánh sáng từ chân không – quan sát một hiệu ứng lần đầu tiên được dự đoán hồi 40 năm trước. Các kết quả trên được công bố trên tạp chí Nature. Trong một thí nghiệm mới lạ, các nhà khoa học đã bắt dính thành công một số photon liên tục xuất hiện và biến mất trong chân không.

Thí nghiệm trên xây dựng trên một trong những nguyên lí phản trực giác nhất, nhưng là một trong những nguyên lí quan trọng nhất trong cơ học lượng tử: chân không không phải là không có gì. Thật vậy, chân không tràn ngập nhiều loại hạt liên tục thăng giáng, lúc có lúc không. Chúng xuất hiện, tồn tại trong một khoảnh khắc ngắn ngủi và rồi biến mất trở lại. Vì sự tồn tại của chúng quá mong manh, nên chúng thường được xem là những hạt ảo.

Nhà khoa học Chalmers, Christopher Wilson, và các cộng sự của ông đã thành công trong việc làm cho các photon rời khỏi trạng thái ảo của chúng và trở thành những photon thực,tức là ánh sáng có thể đo được. Nhà vật lí Moore đã dự đoán hồi năm 1970 rằng hiện tượng này sẽ xảy ra nếu các photon ảo được phép phản xạ trên một cái gương chuyển động ở một tốc độ cao ngang ngửa với tốc độ ánh sáng. Hiện tượng trên, gọi là hiệu ứng Casimir động, nay đã được quan sát thấy lần đầu tiên trong một thí nghiệm xuất sắc do các nhà khoa học Chalmers tiến hành.

“Vì không thể làm cho một cái gương chuyển động đủ nhanh, nên chúng tôi đã phát triển một phương pháp khác thu được hiệu ứng giống như vậy”, Per Delsing, giáo sư vật lí thực nghiệm tại trường Chalmers giải thích. “Thay vì cho khoảng cách vật lí đến gương biến thiên, chúng tôi thay đổi khoảng cách điện cho một mạch điện tác dụng như một cái gương vi sóng.

“Cái gương” gồm một linh kiện điện tử lượng tử gọi là SQUID (dụng cụ giao thoa lượng tử siêu dẫn), nó cực kì nhạy với từ trường. Bằng cách cho hướng của từ trường thay đổi vài tỉ lần trong một giây, các nhà khoa học đã có thể làm cho “cái gương” đó dao động ở tốc độ lên tới 25% tốc độ ánh sáng.

“Kết quả là các photon xuất hiện thành cặp từ chân không, cái chúng tôi có thể đo được dưới dạng bức xạ vi sóng”, Der Delsing giải thích. “Chúng tôi còn có thể xác lập rằng bức xạ đó có tính chất giống hệt như lí thuyết lượng tử cho biết khi các photon xuất hiện thành cặp theo kiểu này”.

Cái xảy ra trong thí nghiệm trên là “cái gương” truyền một phần động năng của nó cho các photon ảo, giúp chúng vật chất hóa. Theo cơ học lượng tử, có nhiều loại hạt ảo trong chân không, như đã nói. Göran Johansson, một vị phó giáo sư vật lí lí thuyết, giải thích rằng nguyên do các photon xuất hiện trong thí nghiệm trên là vì chúng thiếu khối lượng.

Trong thí nghiệm của các nhà khoa học Chalmers, các photon ảo phản xạ khỏi một “cái gương” dao động ở một tốc độ cao ngang ngửa với tốc độ ánh sáng. Cái gương tròn trong ảnh là tượng trưng thôi, và nó là một linh kiện điện tử lượng tử (gọi là SQUID) tác dụng như một cái gương. Cái gương này làm cho các photon thực xuất hiện (thành cặp) trong chân không. Ảnh: Philip Krantz, Chalmers

“Vì thế đòi hỏi tương đối ít năng lượng để kích thích chúng ra khỏi trạng thái ảo của chúng. Trên nguyên tắc, người ta còn có thể tạo ra những hạt khác từ chân không, ví dụ như electron hay proton, nhưng như thế sẽ đòi hỏi rất nhiều năng lượng.”

Các nhà khoa học nhận thấy các photon xuất hiện thành cặp trong thí nghiệm trên thật có sức hấp dẫn để tiếp tục nghiên cứu chi tiết hơn. Có lẽ, họ có thể sử dụng chúng trong lĩnh vực nghiên cứu thông tin lượng tử, lĩnh vực liên quan đến sự phát triển máy vi tính lượng tử.

Tuy nhiên, giá trị chính của thí nghiệm trên là nó làm tăng thêm sự hiểu biết của chúng ta về những khái niệm vật lí cơ bản, như các giải Nobel Vật lí của năm nay.

Tham khảo: "Observation of the dynamical Casimir effect in a superconducting circuit" C. M. Wilson, G. Johansson, A. Pourkabirian, M. Simoen, J. R. Johansson, T. Duty, F. Nori, & P. Delsing, Nature 479, 376–379 (17 November 2011), doi:10.1038/nature10561

Nguồn: Đại học Công nghệ Chalmers

Bài trước | Bài kế tiếp