Các lưỡng cực siêu lạnh ngoan ngoãn chịu sự điều khiển

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa tạo ra một chất khí cực lạnh gồm các phân tử có mô men lưỡng cực “điều chỉnh được”. Thí nghiệm, lần đầu tiên nghiên cứu tác dụng của các tương tác lưỡng cực tầm xa trong chất khí cực lạnh, có thể dẫn đến những phương pháp mới sử dụng các phân tử bị bẫy để mô phỏng các hiệu ứng lượng tử xảy ra trong chất rắn.

Các hàng rào năng lượng. Đồ thị đường contour ở trên thể hiện hàng rào thế chui hầm khi các phân tử KrB có mô men lưỡng cực zero. Đồ thị đường contour bên dưới thể hiện hàng rào thế chui hầm khi các phân tử KrB có mô men lưỡng cực. Các va chạm trước-sau (góc dưới, bên trái) và các va chạm ngang-hông (góc dưới, bên phải) cũng được minh họa. (Ảnh: Jun Ye)

Các chất khí cực lạnh mang lại những “vật mô phỏng lượng tử” lí tưởng vì một số tương tác giữa các nguyên tử hay phân tử thành phần có thể “điều chỉnh” bằng cách thao tác trên từ trường và trường laser giữ các hạt tại chỗ. Trong khi các nhà vật lí đã thành công ở việc xử lí các tương tác tầm ngắn giữa các nguyên tử và phân tử, thì việc mô phỏng các tương tác tầm xa – thí dụ như tương tác giữa các hạt tích điện – tỏ ra khó khăn hơn.

Hồi đầu năm nay, Jun Ye và các cộng sự tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Hoa Kì (NIST) ở Colorado và Maryland đã làm lạnh các phân tử potassium-rubidium (KrB) để xem chúng phản ứng hóa học như thế nào để hình thành nên Rb₂ và K₂. Khi thực hiện thí nghiệm đó, họ đã có thể quan sát cách thức các trạng thái lượng tử ban đầu của các phân tử ảnh hưởng lên tốc độ phản ứng – cái không thể nào quan sát được ở nhiệt độ phòng.

Giờ thì chính đội nghiên cứu NIST đó chuyển hướng chú ý của họ sang tương tác lưỡng cực điện tầm xa giữa các phân tử - và cách thức nó ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng. Như trong thí nghiệm trước đây của họ, đội khoa học đã tạo ra các phân tử KrB cực lạnh bằng cách làm lạnh một hỗn hợp gồm các nguyên tử potassuim và rubidium đến chỉ vài trăm nanokelvon và sau đó đặt chúng trong một gradient từ trường. Trường này liên kết các nguyên tử lại với nhau, với sự liên kết được gia cố thêm bởi việc đưa các nguyên tử vào trước ánh sáng laser.

Nếu không có điện trường tác dụng, thì các phân tử không có mô men lưỡng cực điện. Một cặp phân tử do đó sẽ chỉ phản ứng nếu chúng có thể chui hầm qua hàng rào năng lượng phát sinh do các hạt là fermion, có spin không-nguyên. Kết quả là một tốc độ phản ứng tương đối thấp.

Nhưng nếu thiết lập một điện trường nhỏ lên chất khí, thì các phân tử có mô men lưỡng cực điện tất cả hướng theo chiều của điện trường. Cho nên khi hai phân tử va chạm nhau, chúng chịu một tương tác lưỡng cực-lưỡng cực phụ thuộc vào sự định hướng tương đối của va chạm và điện trường.

Nếu va chạm xảy ra dọc theo hướng của trường, thì đầu dương của một lưỡng cực va chạm với đầu âm của lưỡng cực kia (va chạm trước-sau) và lực là lực hút. Tuy nhiên, nếu va chạm vuông góc với trường, thì lực là lực đẩy.

Lực hút làm hạ thấp độ cao của hàng rào thế chui hầm, làm cho các phân tử có khả năng tương tác cao hơn. Mặc dù hàng rào thế là lớn hơn đối với các va chạm vuông góc, nhưng hiệu ứng chung là làm cho phản ứng diễn ra nhanh hơn, dẫn tới chất khí nóng lên.

Nhiệt độ của chất khí có thể đo bằng cách tắt bẫy từ và xác định tốc độ chất khí giãn nở - tốc độ nhanh hơn thì nhiệt độ cao hơn. Bằng cách đo tốc độ giãn nở theo những hướng khác nhau, đội khoa học nhận thấy các va chạm có khả năng xảy ra theo một hướng nhất định nhiều hơn.

Ye và các cộng sự đã nghiên cứu tương tác lưỡng cực bằng cách lặp lại các phép đo giãn nở đối với một loạt mẫu được đặt trong những điện trường khác nhau có cường độ khác nhau. Họ nhận thấy tốc độ phản ứng không thay đổi đáng kể khi mô men lưỡng cực tăng lên – cho đến khi nó đạt tới một mức đặc biệt, trên đó nữa thì tốc độ phân tử tăng nhanh.

Các kết quả trên có thể giúp các nhà vật lí có được sự hiểu biết tốt hơn về cách thức tạo ra những chất khí lưỡng cực cực lạnh có thời gian sống lâu. Theo Ye, tầm quan trọng của các tương tác trước-sau là ở chỗ thời gian sống của chất khí như vậy có thể tăng thêm nếu chúng bị giới hạn trong một “miếng bánh” 2D sao cho các va chạm trước-sau không thể xảy ra. Ông cho biết đội nghiên cứu của ông hiện đã làm chủ việc khống chế những thất thoát do tương tác lưỡng cực-lưỡng cực.

Theo physicsworld.com