Tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein trong sự rơi tự do

Một thí nghiệm ngưng tụ Bose– Einstein – các laser và toàn bộ thiết bị - đã được thả rơi đi rơi lại nhiều lần từ độ cao 146 m. Do một đội các nhà vật lí quốc tế thiết kế, thí nghiệm trên chứng tỏ rằng các hệ lượng tử nhiều hạt mong manh có thể được tạo ra và phân tích trong môi trường không trọng lượng do sự rơi tự do mang lại. Kết quả còn cho thấy người ta có thể đưa những thí nghiệm giống như vậy vào trong không gian, nơi đó họ có thể kiểm tra các tiên đoán của lí thuyết tương đối rộng của Einstein.

Các ngưng tụ Bose–Einstein (BEC) hình thành khi các nguyên tử giống hệt nhau với spin nguyên được làm lạnh cho đến khi toàn bộ các nguyên tử ở trong một trạng thái lượng tử giống nhau. Điều này có nghĩa là một BEC gồm hàng chục nghìn nguyên tử hành xử như một hạt lượng tử đơn lẻ. Các BEC có thể dùng làm các giao thoa kế vật chất, trong đó một hạt lượng tử bị “chia tách” và gửi đi theo hai lộ trình khác nhau trước khi cho tái hợp lại tại một máy dò – giống hệt như một xung ánh sáng trong giao thoa kế quang học. Mặc dù những thí nghiệm như vậy đã được thực hiện với các đơn nguyên tử, nhưng độ chính xác của chúng được tăng lên đáng kể khi sử dụng BEC.

alt

Ảnh thiết bị BEC nhìn từ phía dưới tháp rơi ZARM. (Ảnh: ZARM)

Vì BEC là những đối tượng nặng nên chúng đặc biệt thích hợp cho các thí nghiệm giao thoa đo những chênh lệch nhỏ xíu của lực hấp dẫn giữa hai lộ trình. Đặt các giao thoa kế BEC trong môi trường không trọng lượng như các tháp rơi tự do hoặc các máy bay lượn theo đường parabol, sẽ cho phép các nhà vật lí kiểm tra các khía cạnh của thuyết tương đối rộng đến độ chính xác cao hơn nhiều so với cái thực hiện được hiện nay. Trong số này có hiệu ứng đo đạc và hiệu ứng Lense–Thirring, cái mô tả các tác dụng bóp méo không gian tương ứng của khối lượng và chuyển động quay của Trái đất.

Những thách thức kĩ thuật lớn

Tuy nhiên, việc đưa một BEC vào vũ trụ - hoặc thậm chí thả rơi nó từ độ cao vài trăm mét – có những thách thức công nghệ lớn vì BEC đó phải được chuẩn bị và duy trì trong chân không cực cao ở những nhiệt độ cực lạnh trong một quá trình có liên quan đến sự thiết lập chính xác của từ trường và ánh sáng laser.

Nay Ernst Rasel cùng các đồng nghiệp tại Đại học Leibniz ở Hanover Đức, vừa xây dựng toàn bộ một thí nghiệm BEC có thể thả rơi đi rơi lại nhiều lần từ độ cao 146 m. Đội khoa học, còn bao gồm các nhà nghiên cứu đến từ các trường đại học khác ở Đức, Anh và Pháp, bắt đầu với việc thu gom khoảng 10 triệu nguyên tử rubidium-87 lạnh. Những nguyên tử này được tải vào một cái bẫy từ-quang bên trong thiết bị rơi – một ống trụ dài 215 cm với bán kính 60 cm. Thiết bị được đặt trên đỉnh của tháp rơi ZARM ở Bremen. Khi rơi tự do, lực hấp dẫn ở trong thiết bị có thể nhỏ bằng 10^–5 lực hấp dẫn địa cầu.

Thiết bị được thả ra và đội nghiên cứu cho phép nó rơi trong 1 giây để cho phép các dao động ban đầu của thiết bị tắt dần đi. Sự rơi tự do tiếp tục khi các nguyên tử được làm lạnh thêm bằng một kĩ thuật laser gọi là “vắt mật quang”, sau đó làm lạnh bằng cách cho bay hơi để tạo ra một BEC gồm khoảng 10.000 nguyên tử ở nhiệt độ khoảng 10 nK.

BEC đang giãn nở

Sau đó, BEC được buông rất nhẹ nhàng từ thế bẫy từ, đưa nó vào một trạng thái giãn nở rất chậm. Điều này thiết yếu cho những lần quan sát lâu dài vì sự giãn nở nhanh hơn sẽ nhanh chóng làm cho ngưng tụ quá loãng nên khó chụp ảnh. Ảnh được chụp bằng cách chiếu một laser lên BEC và nhìn vào cái bóng nó tạo ra trên một camera CCD.

Đội nghiên cứu có thể theo dõi chuyển động của BEC so với thiết bị khi sự rơi tự do tiếp tục trong 1 giây nữa. Họ nhận thấy khối tâm của BEC di chuyển khoảng 3 mm so với thiết bị trong thời gian này. Chuyển động này không có nguồn gốc hấp dẫn. Thay vào đó, đội khoa học đã chứng tỏ rằng đa phần hiệu ứng này được gây ra bởi các từ trường tản lạc nhỏ xíu bên trong thí nghiệm.

Phân tích sự giãn nở của BEC còn tiết lộ sự có mặt của các từ trường dư, chúng làm giãn BEC theo hướng thẳng đứng và nén nó theo phương ngang.

Rasel cho biết đội của ông sẽ sớm lặp lại các phép đo của họ, sử dụng một BEC gồm các nguyên tử ở trong một trạng thái lượng tử hơi khác. Những nguyên tử này không bị ảnh hưởng bởi các từ trường dư và do đó sẽ mang đến một công cụ tốt hơn để thực hiện các phép đo lực hấp dẫn.

Kế hoạch giao thoa kế nguyên tử

Nhìn xa hơn vào tương lai, đội khoa học còn có kế hoạch xây dựng một giao thoa kế nguyên tử không trọng lượng, trong đó các nguyên tử bị tách thành hai trạng thái và sau đó tái hợp trở lại bằng cách hấp thụ và phát xạ các photon. Họ còn có kế hoạch tạo ra các BEC gồm hai loại nguyên tử để xem cả hai có hành xử theo cách giống nhau hay không.

Nghiên cứu trên được tài trợ một phần bởi Cơ quan Vũ trụ Đức, và Rasel hi vọng nó có thể đưa đến việc các BEC được nghiên cứu trong vũ trụ. Những thí nghiệm như vậy có thể dùng để phát hiện ra các sóng hấp dẫn và so sánh các thí nghiệm trong không gian và Trái đất có thể cung cấp các phép kiểm tra rất chính xác của nguyên lí tương đương của thuyết tương đối rộng.

Holger Mueller ở Đại học Calfornia, Berkeley, cho biết thí nghiệm trên “tiêu biểu cho một cột mốc rất quan trọng” trong sự phát triển của các giao thoa kế nguyên tử có thể sử dụng trong không gian. “Hoạt động không gian đòi hỏi phải phát triển công nghệ mới rất, rất thách thức”, ông nói.

Công trình này đăng trên tạp chí Science.