Mối liên hệ lượng tử giữa ánh sáng và chuyển động

Các nhà vật lí vừa chứng minh được một hệ trong đó ánh sáng được dùng để điều khiển chuyển động của một vật đủ lớn để nhìn thấy bằng mắt trần ở cấp độ cơ học lượng tử chi phối hành trạng của nó.

Chuyển động của các vật rốt cuộc bị chi phối bởi các định luật của cơ học lượng tử, chúng dự đoán một số hiện tượng kì lạ: Một vật có thể đồng thời ở hai nơi cùng một lúc, và nó luôn luôn chuyển động ít nhiều, ngay cả ở nhiệt độ không độ tuyệt đối – khi đó người ta nói dao động tử đó ở trạng thái lượng tử cơ bản của nó. Cho đến thời gian gần đây, những tiên đoán kì lạ này của cơ học lượng tử chỉ được quan sát thấy trong chuyển động của những hạt nhỏ xíu, ví dụ như từng nguyên tử. Đối với những vật thể lớn, sự kết hợp không thể tránh khỏi của vật thể với môi trường xung quanh nhanh chóng xóa nhòa đi các tính chất lượng tử, trong một quá trình gọi là tách kết hợp. Nhưng các nhà nghiên cứu ở Phòng thí nghiệm Quang học Lượng tử và Các phép đo Lượng trực thuộc Ecole Polytechnique Federale de Lausanne vừa chứng minh được rằng có thể sử dụng ánh sáng để điều khiển chuyển động dao động của một vật thể lớn, gồm một trăm nghìn tỉ nguyên tử, ở cấp độ lượng tử. Kết quả nghiên cứu của họ công bố trên tạp chí Nature, số ra ngày 2 tháng 2.

Một vòng ánh sáng

Vật thể họ sử dụng là một thiết kế tròn – một vòng xuyến thủy tinh đường kính 30 micromet gắn trên một vi chip. Dưới sự chỉ đạo của Tobias Kippenberg, đội khoa học đã đưa một laser vào một sợi quang mỏng, và mang sợi quang đó đến gần vòng xuyến, cho phép ánh sáng “nhảy” sang vật và chạy tròn vòng quanh chu vi của vòng xuyến lên tới một triệu lần. Giống hệt như áp lực của một ngón tay chạy dọc trên vành của một cái cốc uống rượu làm cho cái cốc ngân lên, lực nhỏ xíu tác dụng bởi các photon truyền bên trong vòng thủy tinh có thể làm cho nó dao động ở tần số xác định. Nhưng thật ra lực đó còn có thể làm tắt dần các dao động, và do đó làm giảm chuyển động dao động.

Lạnh, lạnh nữa

Làm lạnh là điều kiện thiết yếu để đạt tới chế độ chuyển động cơ lượng tử, và chuyển động này thường bị lu mờ bởi các thăng giáng nhiệt ngẫu nhiên. Vì lí do này, cấu trúc được đặt bên trong một máy điều nhiệt đưa nó xuống tới một nhiệt độ chưa tới một độ trên không độ tuyệt đối (- 273,15^oC). Ánh sáng đưa vào trong vòng xuyến làm chuyển động chậm đi một trăm lần, do đó làm nó lạnh thêm nữa, rất gần đến trạng thái lượng tử cơ bản. Và quan trọng hơn, có thể điều khiển cho sự tương tác giữa ánh sáng và chuyển động của dao động tử mạnh đến mức hai bên tạo nên một mối liên hệ chặt chẽ: Một kích thích nhỏ ở dạng một xung sáng được biến đổi hoàn toàn thành một dao động nhỏ và ngược lại. Đây là lần đầu tiên sự chuyển hóa như thế này giữa ánh sáng và chuyển động được làm cho xảy ra trong một thời gian đủ ngắn để các tính chất cơ lượng tử của xung sáng ban đầu không bị mất trong quá trình trên qua sự tách kết hợp. Bằng cách qua mặt sự tách kết hợp, những kết quả này chứng minh khả năng điều khiển các tính chất lượng tử của chuyển động của một vật. Nó còn mang lại một phương pháp nhìn thấy những dự đoán khác thường của cơ học lượng tử tác dụng ở những vật thể nhân tạo.

Triển vọng

Các dao động cơ có thể kết hợp với những hệ lượng tử có bản chất hoàn toàn khác nhau (ví dụ như các dòng điện), cũng như với ánh sáng. Do đó, chúng có thể dùng để “phiên dịch” thông tin lượng tử giữa những hệ đó và các tín hiệu ánh sáng. Kết quả này đặc biệt có ích vì nó cho phép truyền tải thông tin lượng tử - thành phần cơ bản của máy tính lượng tử trong tương lai – trên những cự li lớn trong các sợi quang.

Tham khảo: Quantum-coherent coupling of a mechanical oscillator to an optical cavity mode, E. Verhagen, S. Deléglise, S. Weis, A. Schliesser, Tobias J. Kippenberg, Nature, January 2012. DOI: 10.1038/nature10787

Alpha Physics – thuvienvatly.com
Nguồn: Ecole Polytechnique Federale de Lausanne