Các phân tử lưỡng nguyên tử khổng lồ kích bằng vi khuẩn nhỏ đã được tạo ra từ các cặp nguyên tử Rydberg, sau đó được nghiên cứu bằng một kính hiển vi quang học. Các nhà vật lí ở Đức, dưới sự chỉ đạo của Immanuel Bloch và Christian Gross tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck, đã thu được kết quả trên bằng cách thao tác trên các nguyên tử Rydberg bị bắt giữ bên trong một mạng quang học. Công trình của họ có thể đưa đến những kĩ thuật mới xác định các tính chất phân tử.
Trong khi một số tính chất cơ bản của các phân tử rất đơn giản có thể được tính ra bằng thuyết lượng tử, nhưng một hiểu biết đầy đủ về các phân tử thường gặp ví dụ như nước vẫn lãng tránh các nhà khoa học. Một phần vấn đề là do bởi đa số các phân tử quá nhỏ bé nên không thể chụp ảnh trực tiếp bằng ánh sáng.
Một cách dễ thấy là tạo ra các phân tử từ các nguyên tử Rydberg đồ sộ - các nguyên tử có các electron lớp vỏ ngoài ở trong các trạng thái kích thích cao. Trong khi đường kính của đa số các nguyên tử vào cấp nano mét, thì electron lớp vỏ ngoài của một nguyên tử Rydberg có thể cách hạt nhân nguyên tử đến cỡ hàng micron. Do đó, các nguyên tử Rydberg có moment lưỡng cực điện rất lớn. Điều này cho phép các nguyên tử liên kết với nhau thành các phân tử với độ dài liên kết rất dài – nghĩa là các phân tử Rydberg này có thể được chụp ảnh trực tiếp bằng ánh sáng.
Ở bên trái là hình minh họa vật kính hiển vi (màu bạc) dùng trong thí nghiệm để quan sát các nguyên tử trong mạng quang 2D bằng các chùm laser đỏ. Hình bên phải cho thấy sự chiếm giữ vị trí mạng, trong đó các phân tử Rydberg được nhận ra với màu đỏ nơi các cặp nguyên tử bị thiếu. Ảnh: Christoph Hohmann/MCQST.
Ý tưởng là sử dụng các phân tử khổng lồ này làm vật tương tự của những phân tử nhỏ hơn nhiều. Các vật tương tự này có thể dùng làm các mô phỏng lượng tử về các tính chất phân tử.
Thí nghiệm cho tải vào một mạng quang học 2D hình vuông các nguyên tử rubidium cực lạnh. Các nguyên tử bắt đầu ở năng lượng thấp nhất của chúng (trạng thái cơ bản) và ngăn cách nhau khoảng cách tối hiểu 0,54 micron. Chiếu ánh sáng laser tử ngoại vào các nguyên tử, tạo ra các nguyên tử Rydberg sau đó có thể kết hợp thành các phân tử lưỡng nguyên tử. Sau đó các nguyên tử được tống ra khỏi mạng, để lại những khoảng trống mạng có thể quan sát được bằng kính hiển vi.
Các ảnh chụp hiển vi cho thấy các phân tử Rydberg hình thành giữa các nguyên tử liền kề trên các đường chéo của mạng vuông. Điều này có nghĩa là độ dài liên kết của phân tử vào cỡ 0,7 micron, xấp xỉ kích cỡ của một con vi khuẩn nhỏ.
Bằng cách điều chỉnh sự phân cực của laser tử ngoại, đội nghiên cứu có thể làm thay đổi định hướng của các phân tử trong mạng. Hơn nữa, sự định hướng tương đối của phân cực laser và phân tử phụ thuộc vào trạng thái dao động của phân tử. Thật vậy, đội nghiên cứu có thể đưa nguyên tử vào hơn 50 trạng thái dao động khác nhau bằng cách tinh chỉnh bước sóng của laser tử ngoại.
Vừa là một bước tiến đáng kể trong lĩnh vực chụp ảnh phân tử, đội nghiên cứu cho biết thí nghiệm của họ thiết lập bối cảnh cho các phép kiểm tra mới về các điều kiện dưới đó các nguyên tử Rydberg có thể tương tác với nhau. Các kĩ thuật này cũng có thể dùng để phát triển các mô phỏng về hệ nhiều vật lượng tử bằng cách sử dụng các nguyên tử cực lạnh.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Science.
Nguồn: physicsworld.com
