Ống nano carbon, vốn hứa hẹn nhiều ứng dụng trong ngành khoa học vật liệu và điện tử học, có lẽ còn là chất liệu của những lỗ đen cấp độ nguyên tử.
 |
| Các nguyên tử làm lạnh bằng laser bị bắt giữ bởi ống nano carbon thành đơn, treo lơ lửng, tích điện đến hàng trăm volt. Nguyên tử bị bắt giữ chuyển động xoắn ốc về phía ống nano (đường màu trắng) và đi tới vùng lân cận của bề mặt ống, tại đó electron hóa trị của nó (màu vàng) chui hầm vào trong ống. Ion còn lại (màu tía) bị bắn vọt ra và phát hiện được, và cơ sở động lực học ở thang bậc nano được khảo sát rất nhạy. (Ảnh: Anne Goodsell và Tommi Hakala/Đại học Harvard) |
Các nhà vật lí tại trường đại học Harvard vừa tìm thấy một ống nano điện áp cao có thể làm cho các nguyên tử lạnh chuyển động xoắn ốc vào phía trong dưới gia tốc hết sức kịch tính trước khi bị tan rã dữ dội. Những thí nghiệm của họ, lần đầu tiên chứng minh được cái trông tương tự như một lỗ đen ở cấp độ nguyên tử, được mô tả trong số ra hiện nay của tờ Physical Review Letters.
“Ở thang bậc nano mét, chúng tôi tạo ra một lực hút hủy diệt và không gì lay chuyển nổi tương tự như các lỗ đen tác dụng lên vật chất ở quy mô vũ trụ vậy”, phát biểu của Lene Vestergaard Hau, giáo sư vật lí và vật lí ứng dụng ngạch Mallinckrodt tại Harvard. “Điều quan trọng đối với các nhà khoa học, đây là sự hợp nhất lần đầu tiên của khoa học nguyên tử lạnh và khoa học nano, và nó mở ra cánh cửa mới bước vào thế hệ mới của những thí nghiệm nguyên tử lạnh và những dụng cụ cấp độ nano”.
Hau và các đồng tác giả Anne Goodsell, Trygve Ristroph, và Jene A. Golovchenko, đã dùng laser làm lạnh những đám mây gồm một triệu nguyên tử rubidium xuống chỉ một phần của một độ trên không độ tuyệt đối. Sau đó, các nhà vật lí ném đám mây nguyên tử dài cỡ mili mét này về phía một ống nano carbon treo lơ lửng, đặt cách xa đấy chừng 2 centi mét và tích điện đến hàng trăm volt.
Đa số các nguyên tử đi qua sợi dây, nhưng có những nguyên tử đến cách dây trong vòng một micron – chừng 10 nguyên tử trong mỗi đám mây triệu nguyên tử - bị hút không thoát ra được, đạt tới những tốc độ cao khi chúng bị xoáy ốc về hướng ống nano.
“Từ lúc bắt đầu khoảng 5 m/s, các nguyên tử lạnh đạt tới tốc độ chừng 1200 m/s, khi chúng quay tròn xung quanh ống nano”, phát biểu của Goodsell, một nghiên cứu sinh tham gia trong dự án và hiện nay là nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ ngành vật lí tại Harvard. “Là một phần của sự gia tốc khủng khiếp này, nhiệt độ tương ứng với động năng của các nguyên tử tăng từ 0,1 độ Kelvin lên hàng nghìn độ Kelvin trong chưa tới một micro giây”.
Ở đây, các nguyên tử đang tăng tốc chia thành một electron và một ion quay tròn vòng quanh dây nano, hoàn thành mỗi vòng quay trong chỉ vài phần nghìn tỉ của một giây. Cuối cùng thì electron sẽ bị hút vào trong ống nano qua sự chui hầm lượng tử, làm cho ion đồng hành của nó bị bắn vọt ra ngoài – bị đẩy bởi điện tích mạnh của ống nano 300 volt - ở tốc độ chừng 26 km/s.
Toàn bộ thí nghiệm được thực hiện với độ chính xác cao, cho phép các nhà khoa học truy xuất không có tiền lệ đến những quá trình nguyên tử lạnh lẫn những quá trình xảy ra ở thang bậc nano.
“Khoa học nguyên tử lạnh và khoa học nano, tự mỗi ngành đều mang đến những hệ mới hấp dẫn cho nghiên cứu và ứng dụng”, theo Golovchenko, giáo sư vật lí ngạch Rumford, và là giáo sư vật lí ứng dụng ngạch Gordon McKay, tại Harvard. “Đây là sự hiện thực hóa bằng thực nghiệm lần đầu tiên của một hệ cấu trúc nano nguyên tử lạnh kết hợp. Hệ của chúng tôi chứng minh được sự khảo sát nhạy của nguyên tử, electron, và động lực học ion ở thang bậc nano”.
Ống nano carbon thành đơn dùng thí nghiệm thành công của những nhà nghiên cứu này được đặt tên là “Lucy”, và những thành công của nó được trình bày trong bài báo Physical Review Letters. Ống nano trên được nuôi bằng cách cho lắng hơi hóa học trên một khe 10 micron trong một con chip silicon mang lại cho dây nano sự chống đỡ cơ giới lẫn sự tiếp xúc điện.
“Từ quan điểm nguyên tử, ống nano hết sức dài và mỏng, tạo ra một tác dụng đặc biệt lên các nguyên tử”, Hau nói.
Theo PhysOrg.com
