Nguyên tử Rydberg hành xử giống hệt hệ hành tinh

Nguyên tử không thể là một hệ hành tinh, nhưng dưới những trường hợp nhất định, nó có thể hành xử giống như vậy. Đó là kết luận khiến nhiều người tò mò của các nhà vật lí ở Áp và Mĩ, họ đã xác nhận một tiên đoán hồi năm 1994 rằng, trong sự có mặt của một trường điện từ ngoài, các electron ở những trạng thái nguyên tử năng lượng rất cao sẽ hành xử giống như những tiểu hành Trojan của Mộc tinh.

Các nguyên tử với ít nhất một electron bị kích thích lên một mức năng lượng cực cao được gọi là nguyên tử Rydberg – mang tên nhà vật lí thế kỉ 19 Johannes Rydberg, người đã đi tiên phong nghiên cứu các mức năng lượng hydrogen. Ngày nay, các nhà nghiên cứu có thể truy xuất những electron với số lượng tử chính tới hàng trăm và electron đó tương đối ở xa hạt nhân, nơi lực hút nhỏ đi nhiều. Do đó, các nguyên tử Rydberg tỏ ra dễ bị ion hóa bởi những trường điện từ tản lạc và phải được che chắn rất kĩ.

Mặc dù những nguyên tử như vậy gợi lên hình ảnh một hành tinh quay xung quanh Mặt trời, nhưng cơ học lượng tử tuyên bố rằng electron đó có khả năng được tìm thấy ở nhiều nơi khác nhau trong một orbital lớn và không đều. Kết cục là một nguyên tử Rydberg có ít cái chung với một hệ hành tinh.

Tuy nhiên, trên phương diện toán học, người ta có thể tạo ra một sự chồng chất của các trạng thái nguyên tử định xứ trong không gian. Một electron ở trong một trạng thái chồng chất như thế sẽ hành xử giống hệt như một hạt cổ điển – hay một hành tinh. Tuy nhiên, vấn đề là các trạng thái tạo nên sự chồng chất diễn tiến theo thời gian ở những tốc độ khác nhau, và vì thế trạng thái đó bị hỏng mất rất nhanh. Nhưng vào năm 1994, Joseph Eberly thuộc trường Đại học Rochester ở New York cùng hai đồng nghiệp đã nhận ra rằng bầu trời mang lại cho họ một manh mối về cách làm ổn định trạng thái chồng chất mong manh này.

Nghiên cứu sinh Shuzhen Ye tại trường Đại học Rice đang sử dụng một laser tử ngoại để tạo ra một nguyên tử Rydberg dùng cho nghiên cứu cơ học quỹ đạo của các electron. (Ảnh: Jeff Fitlow/Rice University)

Cảm hứng từ trời xanh

Cảm hứng của bộ ba tác giả phát sinh từ Mộc tinh và chừng 4000 tiểu hành tinh Trojan của nó. Những vật thể nhỏ bé này nằm tại cái gọi là hai điểm Lagrange trong quỹ đạo của Mộc tinh – một điểm ở phía trước hành tinh 60^o và điểm kia ở sau nó 60^o – và quay đồng bộ cùng với hành tinh.

Tương tự, Eberly và các đồng sự đã chứng minh vai trò của Mộc tinh bằng một từ trường điện từ ngoài đang quay. Kết cục là có thể tạo ra các điểm Lagrange trong một nguyên tử Rydberg, tạo ra những orbital điện tử bền, định xứ và bắt nhịp cầu nối liền giữa cơ học lượng tử và cơ học cỗ điển.

Tuy nhiên, cho đến nay, việc tạo ra một hệ như vậy trong phòng thí nghiệm tỏ ra cực kì khó khăn. Trong nghiên cứu mới –một chương trình hợp tác giữa các nhà thực nghiệm tại trường Đại học Rice ở Houston, Texas, và các nhà lí thuyết tại trường Đại học Công nghệ Vienna – người ta sử dụng một laser để kích thích những electron độc thân ngoài cùng của nguyên tử potassium lên những số lượng tử chính trên 300. Sau đó, các nhà nghiên cứu thiết lập một trường điện từ quay tròn, làm kết hợp một số orbital ở gần nhau để tạo ra “những gói sóng Trojan”.

Nguyên tử vĩ mô

Cuối cùng, đã thu được những trạng thái ổn định với hàm sóng electron định xứ tại điểm Lagrange, họ giảm rất chậm tần số của trường điện từ đặt vào. Chu kì quỹ đạo của một electron tăng lên theo khoảng cách đến hạt nhân giống hệt như chu kì quỹ đạo của một hành tinh tăng lên theo khoảng cách đến Mặt trời – tần số đặt vào buộc các electron định xứ dịch chuyển ra xa hạt nhân. Kết quả là số lượng tử chính của electron tăng lên đến khoảng 600, làm cho nguyên tử có kích cỡ chừng bằng dấu chấm phía trên chữ “i”.

Barry Dunning thuộc trường Đại học Rice giải thích “Electron bị khóa chặn với trường điều khiển và nếu bạn thay đổi rất chậm trường điều khiển thì electron đó vẫn bị khóa với nó. Chúng ta có thể sử dụng điều đó để dịch chuyển electron lên những quỹ đạo lớn hơn rất nhiều – trên nguyên tắc là lớn tùy ý, nhưng tất nhiên đến một điểm nào đó thì toàn bộ trường tản lạc bắt đầu biến mất.”

Những khác biệt với hệ hành tinh

Bất chấp những sự tương đồng giữ một tiểu hành tinh Trojan và gói sóng Trojan, cơ học lượng tử tuyên bố rằng gói sóng Trojan chỉ mô tả xác suất tìm thấy electron tại một điểm cho trước – trong khi cơ học cổ điển cho chúng ta biết chính xác nơi tiểu hành tinh sẽ được tìm thấy. Cái các nhà nghiên cứu đang đo là xác suất tìm thấy electron độc thân đó trong một vùng nhất định – đội khoa học Rice phải tiến hành hàng nghìn phép đo trên hàng nghìn nguyên tử và so sánh các kết quả của họ với một mô hình toán học do các nhà lí thuyết ở Vienna cung cấp để suy luận ra hình dạng của gói quỹ đạo.

“Theo tôi, vùng chuyển tiếp giữa cơ học lượng tử và cơ học cổ điển là tiền tuyến hấp dẫn nhất và được hiểu ít nhất trong vật lí học,” Eberly phát biểu. “Vùng đó chứa đầy những câu đố bí ẩn và đây là một cách hay để khảo sát một bên chiến tuyến của vùng tiền tuyến đó.”

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com

Bài trước | Bài kế tiếp