Các nhà vật lí ở Đức là những người đầu tiên sử dụng các nguyên tử “bị nén spin” để tăng độ chính xác của một giao thoa kế xây dựng trên các nguyên tử tương tác. Công trình của họ bao gồm việc làm vướng víu hàng trăm nguyên tử theo một kiểu làm giảm sự nhiễu trong một phép đo spin của chúng theo một hướng nhất định. Nếu kĩ thuật trên có thể tăng cỡ để hoạt động với hàng triệu nguyên tử, thì nó có thể giúp tăng độ chính xác của các đồng hồ nguyên tử.
 |
| Thiết bị thí nghiệm của Christian Gross và các đồng nghiệp tại trường đại học Heidelberg. (Ảnh: Christian Gross) |
Khi đo spin nội của một nguyên tử, sự nhiễu trong phép đo tuân theo nguyên lí bất định Heisenberg của cơ học lượng tử. Nói cách khác, độ nhiễu, nói thí dụ, trong thành phần y của spin (Jy) nhân với độ nhiễu trong thành phần z (Jz) phải luôn lớn hơn một giá trị hằng số. Tuy nhiên, nếu các nguyên tử không tương tác với nhau, thì độ nhiễu bằng nhau theo cả hai hướng và tăng lên theo căn bậc hai của số lượng nguyên tử. Đây được gọi là “giới hạn cổ điển” vì nó giống như sự nhiễu thấy ở những hệ phi lượng tử hay những hệ cổ điển.
Tuy nhiên, người ta có thể “nén spin” các nguyên tử để làm giảm độ nhiễu theo một hướng (thí dụ Jy) đồng thời làm tăng độ nhiễu theo một hướng khác (Jz). Sự nén này có thể hữu ích nếu các nguyên tử dùng để đo một đại lượng vật lí đặc biệt – thí dụ một từ trường – tương tác với thành phần bị nén của spin nguyên tử chung. Các trạng thái nén của photon đã được sử dụng để làm tăng hiệu suất của các giao thoa kế quang học.
Ngưng tụ Bose-Einstein
Christian Gross và các đồng nghiệp tại trường đại học Heidelberg bắt đầu thí nghiệm của họ với một tập hợp gồm vài trăm nguyên tử rubidium bị bẫy trong một mạng quang 1D. Các nguyên tử được làm lạnh xuống vài chục nanoKelvin để hình thành nên một ngưng tụ Bose-Einstein (BEC), trong đó tất cả các nguyên tử ở trong trạng thái lượng tử giống hệt nhau – và tương tác giữa các nguyên tử trở nên thật quan trọng.
BEC sau đó được đưa vào một từ trường được chọn lọc cẩn thận nhằm điều chỉnh sự tương tác giữa các nguyên tử thôngqua một “cộng hưởng Feshbach”. Tương tác này làm cho spin của các nguyên tử trở nên tương quan với nhau – một hiện tượng gọi là sự rối.
Các nguyên tử bị rối ở trong một sự chồng chất của những trạng thái nguyên tử nội có thể dùng trong một giao thoa kế Ramsey, dụng cụ đo sự giao thoa giữa hai trạng thái lượng tử khác nhau của một hệ. Các nhà nghiên cứu Heidelberg sau đó thiết lập một độ lệch pha cho các nguyên tử bị rối, tương tự như việc thiết lập một từ trường.
Khi hai trạng thái kết hợp trở lại, vân giao thoa thu được khác với cái tạo ra trong sự vắng mặt của từ trường. Thông số này được đo là sự mất cân bằng ở số lượng nguyên tử có spin hướng lên và hướng xuống. Do các trạng thái bị nén, cho nên độ nhiễu là -8,2 dB dưới mức mà phép đo tương tự như vậy mang lại nếu không có sự nén spin.
Những đồng hồ nguyên tử chính xác hơn
Các trạng thái spin nén trong tương lai có thể dùng để tăng cường độ chính xác của các đồng hồ nguyên tử. Tuy nhiên, Gross phát biểu với physicsworld.com rằng các phép đo được thực hiện sử dụng khoảng 170 nguyên tử bị vướng víu – ít hơn nhiều so với hàng triệu nguyên tử dùng trong một đồng hồ nguyên tử. Một vấn đề nữa là những trạng thái lượng tử dùng trong thí nghiệm Heidelberg rất nhạy với từ trường, mà từ trường là một trở ngại lớn đối với những đồng hồ nguyên tử.
Công trình trên được mô tả trực tuyến tại Nature doi:10.1038/nature08919. Tại đó, một nhóm độc lập gồm các nhà vật lí tại trường đại học Ludwig-Maximilians ở Đức và Phòng thí nghiệm Kastler Brossel ở Pháp báo cáo sự tạo ra một BEC spin nén ngưng tj trong một dụng cụ chế tạo trên một con chip silicon (Nature doi:10.1038/nature08988). Mặc dù Max Riedel cùng các đồng nghiệp không tiến hành những phép đo giao thoa kế, nhưng họ nhận thấy sự nhiễu spin giảm đi -3,7 dB và đề xuất rằng những con chip như vậy có thể tìm thấy ứng dụng trong các đồng hồ nguyên tử.
Theo physicsworld.com
