Các nhà vật lí ở Mĩ cho biết họ là những người đầu tiên quan sát trực tiếp sự giao thoa nguyên tử độc thân trên những khoảng cách lớn hơn nhiều so với độ dài kết hợp của nguyên tử đó. Thí nghiệm sử dụng nhíp quang học và một chuỗi xung laser để “tống” nguyên tử đó theo hai quỹ đạo khác nhau gặp nhau sau khoảng 1 ms. Đội khoa học cho biết nếu độ chính xác của thí nghiệm có thể cải thiện, thì nó có thể cung cấp thông tin mới về sự tồn tại có thể có của lực hấp dẫn phi Newton ở những khoảng cách micron. Các nhà nghiên cứu cho biết kĩ thuật trên còn có thể dùng để nghiên cứu lực nhỏ xíu phát sinh giữa một nguyên tử và một bề mặt dẫn, đặt tên là “hiệu ứng Casimir-Polder”.
Trong thế giới kì lạ của cơ học lượng tử, một nguyên tử có thể tồn tại trong sự chồng chất của hai hoặc nhiều quỹ đạo cho đến khi có một phép đo vị trí hoặc xung lượng của nó được thực hiện. Tính chất này có thể được khai thác trong một giao thoa kế sóng vật chất, nhờ đó – mặc dù nghe có vẻ lạ lẫm – một nguyên tử độc thân có thể đồng thời đi theo hai quỹ đạo khác nhau đến một máy dò. Các lực tác dụng lên nguyên tử đó sẽ gây ra một sự lệch pha tương đối giữa hai quỹ đạo, mang lại một sự lệch trong hệ vân giao thoa tạo ra nơi hai quỹ đạo đó gặp nhau.
Những thí nghiệm như thế đã được tiến hành trước đây, sử dụng những tập hợp lớn nguyên tử, tạo ra những xung nguyên tử chuyển động theo từng quỹ đạo. Khi đó các nguyên tử tạo ra một hệ vân giao thoa tại máy dò, nó có thể được đo và sử dụng để suy luận ra hằng số hấp dẫn hoặc tìm kiếm những sai lệch khỏi lí thuyết hấp dẫn Newton. Tuy nhiên, cho đến nay, người ta chưa có thể thực hiện sự giao thoa sóng vật chất bằng cách gửi những nguyên tử độc thân qua thiết bị vì đa số thí nghiệm giao thoa kế dạng xung hoạt động dựa trên số lượng nguyên tử đưa vào cao để tăng tín hiệu tại máy dò và do đó thiếu sự kiểm soát tiên quyết ở cấp độ nguyên tử độc thân.
Ảnh chụp thiết bị dùng trong thí nghiệm của đội Sandia. Có thể nhìn thấy ở chính giữa ảnh là một tế bào thạch anh với một thấu kính nhỏ. Đây là thấu kính dùng để tạo ra nhíp quang. (Ảnh: L Paul Parazzoli)
Điều khiển các nguyên tử độc thân
Kĩ thuật sóng vật chất nguyên tử độc thân mới do L Paul Parazzoli, Aaron Hankin và Grant Biedermann phát triển tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia ở New Mexico. Kĩ thuật của họ khác với những thí nghiệm trước đây ở chỗ mỗi nguyên tử bắt đầu và kết thúc hành trình của nó trong những cái nhíp quang học – ánh sáng laser tập trung vào một vùng nhỏ trong đó nguyên tử bị giam giữ.
Các nhà nghiên cứu Sandi đã sử dụng một đám mây gồm những nguyên tử caesium cực lạnh bị bẫy và làm lạnh tới 4,2 μK sử dụng kết hợp cả ánh sáng laser và từ trường. Sau đó họ tạo ra những cái nhíp quang trong chất khí đó có thể giam giữ đúng một nguyên tử, trước khi chiếu một xung laser vào nguyên tử đó để đưa vào một trạng thái lượng tử nhất định. Sau đó các nhíp quang học được tắt đi, để cho nguyên tử đó rơi tự do.
Bị đá lên đá xuống
Sau đó nguyên tử chịu một chuỗi xung ánh sáng cách nhau 500 μs. Xung thứ nhất đưa nguyên tử vào một sự chồng chất của hai trạng thái – một trạng thái nhận một cú hích photon hướng lên làm cho nó bay lên, và một trạng thái đang rơi vì nó không nhận cú hích nào. Sau đó xung thứ hai hoặc đập nguyên tử đang bay lên rớt trở xuống hoặc đá nguyên tử đang rơi xuống bay trở lên – kết quả là hai quỹ đạo sẽ hợp nhất tại thời điểm 500 μs sau đó khi một xung laser thứ ba làm cho đường đi của chúng chồng lên nhau. Khi các trạng thái hợp nhất, nhíp quang được bật trở lại và trạng thái lượng tử của nguyên tử đó được đo lại.
Toàn bộ quá trình sau đó được lặp lại hàng trăm lần để xác định độ lệch pha giữa hai quỹ đạo và từ đó xác định lực hấp dẫn tác dụng lên nguyên tử ở mức 3 × 10–27 N.
Parazzoli, Hankin và Biedermann đã có thể nhìn thấy một hệ vân giao thoa rõ ràng hiện ra khi pha tương đối của các laser xung được điều chỉnh, dấu hiệu của hiện tượng tự giao thoa của các nguyên tử độc thân. Trong thí nghiệm của họ, khoảng cách giữa hai trạng thái nguyên tử lớn cỡ 3,5 μm, lớn gấp 200 lần độ dài kết hợp của các nguyên tử được sử dụng. Như vậy, đội nghiên cứu khẳng định thí nghiệm của họ là minh chứng đầu tiên của sự giao thoa nguyên tử độc thân trong “không gian tự do” – với không gian tự do ám chỉ thực tế nguyên tử đó không bị ràng buộc, cho phép các trạng thái của nó phân tách trong không gian.
“Thật sự đẹp”
Paul Hamilton thuộc trường Đại học California, Berkeley, người không có liên quan trong nghiên cứu trên, gọi thí nghiệm của các nhà nghiên cứu Sandia là “một minh chứng giáo khoa thật sự đẹp của sự giao thoa nguyên tử độc thân”.
Vì kĩ thuật trên sử dụng mỗi lúc một nguyên tử, nên đội Sandia tin rằng nó có thể được sử dụng để thực hiện những phép đo cực kì định xứ của những lực ở rất gần các bề mặt, ví dụ như lực Casimir–Polder xảy ra giữa một nguyên tử và một bề mặt dẫn. Giống như lực Casimir quen thuộc, lực này phát sinh từ năng lượng điểm không của chân không và có những gợi ý cho sự thiết kế và hoạt động của những máy cơ cỡ micron và nanomet.
Đội khoa học còn khẳng định nếu độ nhạy của thiết bị có thể cải thiện thêm hai bậc độ lớn, thì có thể sử dụng nó để lập ra những ràng buộc mới lên các lí thuyết hấp dẫn phi Newton luận ở cấp độ chiều dài micron. Thật vậy, nếu lực hấp dẫn được tìm thấy không tuân theo lực Newton ở những khoảng cách nhỏ xíu như vậy, thì nó có thể cung cấp những manh mối quan trọng về cách thống nhất lí thuyết hấp dẫn với Mô hình Chuẩn của ngành vật lí hạt. “Loại phép đo giao thoa này đã thể hiện độ chính xác tuyệt đối trong những trường hợp khác, đó là một đặc tính sẽ rất hữu ích cho việc phát hiện những sai lệch khỏi định luật nghịch đảo bình phương ở thang chiều dài micron,” Parazzoli nói.
Tham khảo: http://arxiv.org/pdf/1208.4868v1.pdf
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
