Lần đầu tiên đo được lực Van der Waals nguyên tử

Các nhà khoa học ở Pháp là những người đầu tiên tiến hành một phép đo trực tiếp của lực Van der Waals giữa hai nguyên tử. Trước tiên họ bẫy hai nguyên tử Rydberg bằng một laser rồi sau đó đo lực là một hàm của khoảng cách giữa chúng. Hai nguyên tử ở trong một trạng thái lượng tử kết hợp và các nhà nghiên cứu tin rằng hệ của họ có thể được dùng để tạo ra những cổng logic lượng tử hoặc để thực hiện các mô phỏng lượng tử của những hệ vật chất ngưng tụ.

Lực Van der Waals giữa các nguyên tử, phân tử và bề mặt là một phần của cuộc sống hằng ngày. Nhện và tắc kè dựa trên nó để đi lại trên tường trơn nhẵn, chẳng hạn, và chính lực Van der Waals làm cho các protein bên trong cơ thể của chúng ta gấp lại thành những hình dạng phức tạp.

Mang tên nhà khoa học Hà Lan Johannes Diderik van der Waals – người đầu tiên đề xuất nó vào năm 1873 để giải thích hành vi của các chất khí – lực Van der Waals là một lực rất yếu và chỉ trở nên đáng kể khi các nguyên tử và phân tử ở rất gần nhau. Các thăng giáng trong đám mây điện tử của một nguyên tử đồng nghĩa là nó sẽ có một moment lưỡng cực tức thời. Moment này có thể cảm ứng một moment lưỡng cực trong nguyên tử lân cận, mang lại một tương tác hút lưỡng cực-lưỡng cực.

Lưỡng cực nguyên tử: Cuối cùng người ta đã đo được lực Van der Waals giữa các nguyên tử

Các phép đo gián tiếp

Đã có nhiều phép đo gián tiếp của lực Van der Waals giữa các nguyên tử. Ví dụ như phân tích hợp lực tác dụng lên những vật vĩ mô hoặc sử dụng quang phổ để xác định hành vi tầm xa của lực giữa hai nguyên tử trong một phân tử lưỡng nguyên tử. Tuy nhiên, một phép đo trực tiếp thì vẫn còn né tránh các nhà khoa học mãi cho đến lần này.

Nghiên cứu mới nhất này do các nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Charles Fabry (LCF) ở Palaiseau và Đại học Lille thực hiện. “Cái chúng tôi làm ở đây, lần đầu tiên theo hiểu biết của chúng tôi, là đo trực tiếp tương tác Van der Waals giữa hai nguyên tử độc thân nằm cách nhau một khoảng điều khiển được, do nhà thực nghiệm chọn lựa,” phát biểu của Thierry Lahaye, một thành viên của đội LCF.

Việc điều khiển khoảng cách giữa những nguyên tử bình thường – trong khi đang đo lực giữa chúng – là cực kì khó bởi vì các tương tác đó là rất yếu. Để giải quyết vấn đề này, đội nghiên cứu đã sử dụng các nguyên tử Rydberg, chúng lớn hơn các nguyên tử bình thường nhiều lần. Những nguyên tử như thế có một electron ở trạng thái kích thích cao. Điều này có nghĩa là chúng có một moment lưỡng cực tức thời rất lớn – và do đó sẽ có tương tác Van der Waals rất mạnh trên những khoảng cách tương đối lớn. Chúng còn có những tính chất độc đáo cho phép chúng được điều khiển với độ chính xác cao trong phòng thí nghiệm.

Các cặp nguyên tử

Thí nghiệm bắt đầu với hai nguyên tử rubidium bị bẫy trong hai chùm laser tập trung hẹp cách nhau vài micron. Sau đó chiếu một ánh sáng laser với một bước sóng nhất định vào các nguyên tử, làm cho hệ dao động giữa trạng thái cơ bản và một hoặc hai nguyên tử Rydberg. Đội nghiên cứu tìm thấy rằng khi các điều kiện vừa vặn thích hợp, hệ dao động giữa trạng thái cơ bản một cặp nguyên tử Rydberg, mỗi nguyên tử nằm tại một tiêu điểm laser. Bằng cách đo những dao động này, đội nghiên cứu đã tính ra lực Van der Waals giữa hai nguyên tử Rydberg đó.

Bằng cách điều chỉnh chùm laser bẫy, đội nghiên cứu có thể làm các nguyên tử Rydberg chuyển động đến gần hoặc xa nhau hơn. Khi các nhà nghiên cứu thay đổi khoảng cách R giữa các nguyên tử, thì lực biến thiên theo 1/R⁶ – đúng như trông đợi cho lực Van der Waals.

Ngoài việc đo lực, đội nghiên cứu còn có thể chứng minh rằng sự diễn tiến lượng tử của trạng thái của hai nguyên tử Rydberg đang tương tác là hoàn toàn kết hợp – cái “chưa từng được chứng kiến trong ngành vật lí nguyên tử”, theo khẳng định của Antoine Browaeys, một thành viên đội LCF.

Giống hệt logic lượng tử

Sự diễn tiến kết hợp này của hai nguyên tử đang tương tác là giống hệt với sự diễn tiến của một cổng logic lượng tử hoạt động trên hai bit lượng tử (qubit). Browaeys tin rằng kết quả này cho thấy hai nguyên tử đang tương tác thông qua các tương tác Rydberg–Van der Waals là một hệ triển vọng cho việc tạo ra những cổng logic lượng tử có độ tin cậy cao. “Kết quả trên đưa chúng ta tiến gần hơn với máy tính lượng tử,” ông nói.

Thật vậy, các nhà khoa học cho biết ý nghĩa lâu dài của thí nghiệm của họ không phải là bản thân phép đo lực, mà là mức độ điều khiển cao của các nguyên tử Rydberg mà họ thu được. “Điều này sẽ cho phép chúng tôi xử lí kĩ thuật những hệ lượng tử nhỏ có kích cỡ tăng dần, từ hai lên hi vọng vài chục nguyên tử Rydberg, chúng tôi sẽ có sự điều khiển trọn vẹn của những tương tác trên đó.”

Những hệ như thế có thể được dùng trong xử lí thông tin lượng tử hoặc mô phỏng lượng tử của những hệ vật chất ngưng tụ, ví dụ như nam châm lượng tử.

Steven Rolston thuộc Liên Viện Lượng tử tại trường Đại học Maryland, người không có liên quan trong nghiên cứu trên, gọi công trình nghiên cứu trên là một cột mốc quan trọng hướng tới tạo ra các dụng cụ thông tin lượng tử bởi vì nó cho thấy rằng tương tác Van der Waaks giữa các qubit lượng tử hành xử đúng như trông đợi.

Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.

Nguồn: physicsworld.com