Tạp chí Physics World của Anh bình chọn các thành tựu quan trắc đa kênh liên quan đến sóng hấp dẫn là Đột phá của năm 2017.
1. Quan trắc đa kênh liên quan đến sóng hấp dẫn
Ngày 17 tháng Tám 2017, các detector sóng hấp dẫn LIGO-Virgo và Kính thiên văn Vũ trụ Tia gamma Fermi dò thấy các tín hiệu cách nhau chỉ 2 giây. Chúng đến từ sự hợp nhất của hai sao neutron – một vật thể ngày nay gọi là GW 170817. Đây là lần đầu tiên các nhà khoa học LIGO-Virgo chứng kiến một sự kiện hợp nhất sao neutron, nhưng chỉ năm giờ sau đó họ đã tìm thấy vị trí của nguồn phát trên bầu trời. Trong vài giờ và vài ngày sau đó, hơn 70 chiếc kính thiên văn đã hướng về GW 170817 và rất nhiều quan trắc được thực hiện trong vùng phổ tia gamma, tia X, ánh sáng nhìn thấy, phổ hồng ngoại và vô tuyến. Các nhà vật lí thiên văn còn tìm kiếm neutrino, nhưng họ không tìm thấy hạt nào.
Các quan trắc phối hợp này đã cung cấp rất nhiều thông tin về cái xảy ra khi sao neutron va chạm trong cái gọi là “kilonova”. Các quan trắc đã đem lại những manh mối quan trọng về cách thức những nguyên tố nặng, ví dụ như vàng, được sản sinh trong vũ trụ. Khả năng đo đạc cả sóng hấp dẫn lẫn ánh sáng nhìn thấy đến từ sự hợp nhất sao neutron còn cung cấp một phương thức mới và độc lập để đo tốc độ dãn nở của vũ trụ. Ngoài ra, các quan trắc còn giúp phân giải một tranh cãi lâu nay về nguồn gốc của những vụ nổ tia gamma năng lượng cao và xảy ra trong thời gian ngắn.
Hình minh họa sự hòa hợp của hai sao neutron quay xung quanh nhau. Khung hình bên phải minh họa vật chất của hai sao neutron. Khung hình bên trái cho biết không-thời gian bị biến dạng như thế nào ở gần vụ va chạm. Ảnh: Karan Jani/Georgia Tech
Những quan trắc này là thành tựu của hàng nghìn nhà khoa học làm việc trong hơn 50 nhóm hợp tác trên khắp thế giới.
2. Chế tạo “laser tô-pô học” đầu tiên
Boubacar Kanté và các cộng sự tại Đại học California, San Diego, đã chế tạo “laser tô-pô học” đầu tiên. Dụng cụ cho ánh sáng uốn lượn xung quanh một hộp cộng hưởng có hình dạng bất kì mà không tán xạ - giống hệt như chuyển động của các electron trên bề mặt của một chất cách điện tô-pô học. Laser mới hoạt động ở bước sóng viễn thông và có thể đưa đến những mạch quang lượng tử tốt hơn hoặc giúp bảo vệ thông tin lượng tử khỏi bị tán xạ.
Boubacar Kanté (trái), Babak Bahari (giữa) và Abdoulaye Ndao là thành viên của đội vừa khám phá ra một hộp cộng hưởng laser tô-pô học mới có thể truyền ánh sáng theo bất kì hình dạng nào. Ảnh: Đại học California, San Diego
3. Tia sét tạo ra các đồng vị phóng xạ
Teruaki Enoto tại Đại học Kyoto và các cộng sự đã cung cấp bằng chứng cụ thể đầu tiên và có sức thuyết phục rằng tia sét có thể dẫn tới sự tổng hợp các đồng vị phóng xạ trong khí quyển. Các nhà vật lí đã biết rằng tia sét có thể tạo ra tia gamma và neutron, và hoài nghi rằng các tương tác giữa bức xạ này và hạt nhân ni-tơ trong không khí có thể tạo ra các hạt nhân phóng xạ. Enoto và các cộng sự đã xác nhận nghi ngờ này bằng cách đo một tín hiệu tia gamma chỉ báo của sự phân hủy hạt nhân đạt cực đại khoảng 1 phút sau mỗi tia sét. Theo họ, đây là bằng chứng cho sự sản sinh các hạt nhân phóng xạ như ni-tơ 13.
4. Kính hiển vi siêu phân giải kết hợp các công nghệ giành giải Nobel
Francisco Balzarotti, Yvan Eilers, Klaus Gwosch, Stefan Hell và các cộng sự tại Viện Hóa Sinh Lí Max Planck, Đại học Uppsala và Đại học Buenos Aires, đã phát triển một loại kính hiển vi siêu phân giải mới có khả năng theo dõi trực tiếp các phân tử sinh học trong tế bào sống. Kĩ thuật mới có tên gọi là kĩ thuật thăm dò kích thích huỳnh quang tối đa thông tin (MINFLUX) và nó kết hợp giá trị của hai kĩ thuật giành giải Nobel – một trong số đó do Hell phát triển. MINFLUX thu được độ phân giải cấp nano-mét nhanh hơn và với số photon phát ra ít hơn so với những kĩ thuật trước đây.
5. Thu được sự truyền thông lượng tử không-cần-hạt trong phòng thí nghiệm
Hatim Salih tại Đại học Bristol cùng các cộng sự, và Jian Wei Pan tại Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Hoa cùng các cộng sự đã phát triển lí thuyết và hiện thực hóa thực nghiệm về sự truyền thông bằng vật lí lượng tử mà không trao đổi bất kì hạt nào. Cách đây 4 năm, Salih và các cộng sự đã đề xuất một kế hoạch truyền thông lượng tử mới không đòi hỏi truyền đi bất kì hạt vật chất nào. Trong khi một số nhà vật lí tỏ vẻ nghi ngờ thì trong năm nay một đội do Pan chỉ huy đã chế tạo một hệ như thế trong phòng thí nghiệm và sử dụng nó truyền đi một hình ảnh đơn giản, trong tiến trình ấy (hầu như) không gửi đi photon nào. Được đặt tên là “kĩ thuật tạo ảnh phản động”, kĩ thuật này có thể tiện dụng trong việc ghi ảnh những phần tinh vi của các công trình nghệ thuật thời xưa không chịu được sự phơi sáng trực tiếp.
6. Tia vũ trụ năng lượng cực cao có nguồn gốc ngoài thiên hà
Nhóm hợp tác tại Đài thiên văn Piere Auger đã chứng minh rằng tia vũ trụ năng lượng cực cao đến từ bên ngoài Ngân Hà. Trong hàng thập kỉ, các nhà thiên văn vật lí tin rằng nguồn phát tia vũ trụ với năng lượng cao hơn khoảng 1 EeV (1018 eV) có thể được lần theo từ hướng đến của những hạt vũ trụ này. Những tia này không giống với những tia vũ trụ năng lượng thấp hơn, chúng dường như đến từ mọi hướng sau khi bị từ trường của Ngân Hà làm lệch hướng. Nay 1600 detector hạt Cherenkov tại Đài thiên văn Pierre Auger ở Argentina làm sáng tỏ rằng tỉ lệ đến của tia vũ trụ năng lượng cực cao ở một nửa của bầu trời là lớn hơn. Ngoài ra, tỉ lệ cao vượt mức nằm xa tâm của Ngân Hà – cho thấy những tia vũ trụ này có nguồn gốc ngoài thiên hà.
Một trong 1600 detector Cherenkov tại Đài thiên văn Pierre Auger ở Argentina (Ảnh: Steven Saffi)
7. Chế tạo “tinh thể thời gian” trong phòng thí nghiệm
Christopher Monroe cùng các cộng sự tại Đại học Maryland, và Mikhail Lukin cùng các cộng sự tại Đại học Harvard, đã chế tạo thành công “tinh thể thời gian”. Hai nhóm này làm việc độc lập với nhau. Không giống như các tinh thể thông thường, chúng tự phát phá vỡ đối xứng tịnh tiến, các tinh thể thời gian tự phát phá vỡ đối xứng thời gian rời rạc. Tinh thể thời gian lần đầu tiên được dự đoán hồi 5 năm trước và nay hai hệ gốc spin có các đặc tính na ná như tinh thể thời gian đã được tạo ra. Lukin sử dụng spin trong các lỗ hổng kim cương, còn spin của Monroe là các ion bị bẫy.
8. Siêu vật liệu tăng cường sự làm lạnh tự nhiên mà không cần cấp điện
Ronggui Yang và Xiaobo Yin tại Đại học Colorado Boulder và các đồng sự đã chế tạo một màng mỏng siêu vật liệu mới đem lại sự làm lạnh mà không cần cấp nguồn điện. Được làm bằng những quả cầu li ti bằng thủy tinh, polymer và bạc, vật liệu khai thác sự làm lạnh bức xạ thụ động để tiêu tán nhiệt từ vật thể mà nó phủ lên. Nó phát ra năng lượng ở dạng bức xạ hồng ngoại, vì thế nó có thể truyền qua khí quyển và cuối cùng vào không gian vũ trụ. Vật liệu cũng phản xạ ánh sáng Mặt Trời, nghĩa là nó hoạt động cả ngày lẫn đêm. Nhưng có lẽ cái quan trọng nhất là nó có thể được sản xuất với giá rẻ ở quy mô công nghiệp.
Ronggui Yang (phải) và Xiaobo Yin (trái) giới thiệu một cuộn lớn siêu vật liệu thủy tinh-popymer của họ. (Ảnh: Glenn J Asakawa)
9. Đo được sự giao thoa ba photon tồn tại lâu nhất
Sascha Agne và Thomas Jennewein cùng các đồng sự tại Đại học Waterloo, Stefanie Barz, Steve Kolthammer và Ian Walmsley cùng các đồng sự tại Đại học Oxford, đã độc lập nhau đo được sự giao thoa lượng tử liên quan đến ba photon. Việc nhìn thấy hiệu ứng là rất khó bởi vì nó đòi hỏi khả năng phân phối ba photon không thể phân biệt đến cùng một chỗ, cùng một lúc, và đồng thời đảm bảo các hiệu ứng giao thoa photon độc thân và giao thoa hai photon bị loại trừ khỏi phép đo. Ngoài việc đem lại sự am tường mới về những cơ sở của cơ học lượng tử, sự giao thoa ba photon còn có thể sử dụng trong mật mã lượng tử và các mô phỏng lượng tử.
10. Muon làm lộ ra những khoảng trống bí ẩn trong kim tự tháp Ai Cập
Nhóm hợp tác ScanPyramids đã sử dụng các muon tia vũ trụ tìm thấy bằng chứng cho một khoảng trống lớn từ trước đến nay chưa biết tới trong Kim tự tháp Khufu ở Giza, Ai Cập. Bằng cách đặt các loại detector muon khác nhau ở bên trong và xung quanh kim tự tháp, đội nghiên cứu đã đo được những cơn mưa muon bị suy yếu như thế nào khi chúng qua cấu trúc đồ sộ ấy. Các thuật toán máy tính phân tích dữ liệu và làm sáng tỏ một khoảng trống rất lớn và bất ngờ ở sâu bên trong kim tự tháp.
Nguồn: Physics World
