Ứng dụng của tia Laser : Đông lạnh nguyên tử ppt

Ứng dụng của tia Laser : Đông
lạnh nguyên tử
Dùng một chùm tia sáng hướng xạ bằng tia laser để đục lỗ, làm nóng
chảy, cắt kim loại hay làm khí giới hủy diệt không còn làm chúng ta ngạc
nhiên nữa. Ngược lại, dùng tia laser để làm lạnh vật chất mới lạ kỳ. Ðúng vậy,
đó là một máy làm lạnh đặc biệt chỉ làm lạnh những nguyên tử khí.
Thật vậy, những nhà vậtlý đã thành công trong việc dùng tia laserđể làm
lạnh những nguyên tử gần khôngđộ tuyệt đối -chưa tới một phần triệu độ Kelvin-
Ở nhiệt độ này,thay vì chúngdaođộng mọi hướng như ở môi trường bìnhthường
chúng ta đangsống. thì chúngbị đôngcứng tại chỗ thànhmột đám mây tuyếtmàta
có thể khảosát chúng tùy thích trongnhữngđiều kiện không thể tưởng tượng
cách đây vài năm. Kỹ thuật nàychắc chắn sẽ tìm ra một ứng dụngnhư mọi ứng
dụngkhác
Làm lạnh là gì?Tại sao tia laser lại làm lạnh được nguyên tử?
Ðể hiểuđược, chúng taphải biết thế nào là nhiệt Nếu định nghĩa theomức
độ vimô (niveau microscopique) thì đó là do sự lay động điên cuồng củanhững
hạt nguyên tử. Trong chất rắn,những nguyên tử dao động xungquanh vị trí mà
chúng được giữ lại do nhữnglực cố kết bên trong (forces decohésion interne) .
Trongchất khí, chúngdi chuyển hỗn độn khắp mọi phía với vận tốc đángkể,
từ vài trăm mét đến vài cây số mộtgiây từ thành nàyqua thành khác của vật chứa
nó.
Làm giảm nhiệt độ tức là làm giảm độ dao động nhiệt này. Ở không độ tuyệt
đối sẽ là sự bất động hoàn toàn. Do đó làm lạnh một chất khí cónghĩa là hãm bớt
sự hoạt động thất thường củachúng
Áp suất bức xạ (Pression de radiation)
Áp suấtbức xạ là một sức ép thực sự dotác dụng của ánh sáng trên vật chất.
Tia laser, dưới nhữngđiều kiện nào đó,có thể làm nguyên tử dao động
chậmlại nhờ áp suất bức xạ. Ðể biết khái niệm về ápsuấtbức xạ, chúng ta quay về
quá khứ thật xa xưatrước khi cótia laser và chúngta nhớ lại rằngđầuthế kỷ XII,
Keplerđã nghi ngờ cósự hiện diện của một lựckhi ôngthấy cái đuôi của sao chổi
luôn luônnằm vị trí đối diện với mặt trời. Ônggiải nghĩa rằng nó bị áp suất bức xạ

của ánh sáng mặt trời đẩyra xa. Thật ra hướng đuôi sao chổi được hình thành do
nhiều hiện tượng phứctạp, nhưng áp suất bức xạ đã gây sự chú ý củacác nhà vật
lý hơn baogiờ hết. Ðó là Einsteinvào đầu thế kỷ thứ XXđã giải thích lần đầutiên
khái niệm này bằng thuyết Lượng Tử ,nghĩa là ánh sáng được cấu tạo bởi các phần
tử gọi là quangtử (photon). Một tấm đụcmờ (hay phảnchiếu) nếu được chiếu bởi
ánh sáng đủ mạnh sẽ bị một loạt photon"oanhtạc" đếnđộ có thể làm chotấm đó
di độngnếu nó khá nhẹ.
Ðẩy và làm chậm dao động nguyên tử bằng tia laser
Cũng như tấm đục (paroi opaque)đó, các nguyên tử của chất khí hấp thu tia
laser sẽ chịu một cú "sốc" và nhận một lực đẩy (xung động,impulsion) theo hướng
của ánh sáng tới. Mộtnguyên tử đứngyên đặt trước chùm tia laser sẽ bị đẩy về
hướngtruyền của chùmtia với một lực lớn đến nỗi làmcho nguyên tử gia tăng tốc
lực đến 1 cây số 1 giây trong vòng mộtphần ngàn giây. Kết quả lạ lùng này không
phải do một photon,vì 1 photonsẽ cho nguyên tử một cú sốc rất yếu. Muốn như
trên,phải có sự lập đi lập lạinhiều lần. Nguyên tử nhận nhiều cú sốc vì nó hấp thu
nhiều photon.
Nhưng nguyên tử không thể hấp thu vô số photon mãi được. Thật ra, mỗi
lần hấpthu một photon thì nólại phát ra trở lại một photonkhác, gọi là photon
hùynh quang (fluorescence),giống y như photonmà nó vừa hấp thu, nhưng nó
sẽ đi ra theo môt hướng nào đó. Mỗi lần phát ra một photon, nguyên tử lại thụt lùi
một chút, giốngnhư khẩu súngbị giựt thụt lùi khi bắn ra một viên đạn. Nhưng vì
những photonhuỳnh quang văng ra tứ phía khôngđịnh hướngnên tổng hợp mọi
lực lại sẽ triệt tiêu.
Ðiểm chính yếu làphải làm chonguyên tử hấp thu photon. Muốnđược như
vậy, phải điều chỉnh làmsao cho tần số của photonphù hợp với mộttrong những
tần số riêngcủa nguyên tử. (la fréquence desphotons soit ajustée demanière à
correspondreà unedespropres fréquences de l'atome). Chính trong những điều
kiện này mà người ta đẩy một nguyên tử một cách hiệu quả.
Nếu bây giờ ta phóng thậtnhanh các nguyên tử để gặp chùm tialaser, ta có
thể làm chậm chúnglại, chận đứng hay ngaycả làmcho chúng quay ngượctrở

lại. Thí nghiệm làm chậm nguyên tử này được thực hiện lần đầu tiên vào năm
1985 bởi hai ê kíp người Mỹ
Hiệu ứng Dopler
Hiệu chính mộtthí nghiệm như vậy kéo theo thêmmột khó khăn: hiệu ứng
Doppler.Ðó là một hiện tượngrất phổ quát tạo ra cho âm thanh, cho sóngánh
sáng khi nguồn đang chuyểnđộng so với người quansát. Chẳng hạn tiếng còi tàu
có vẻ caohơn khitàu tiến gần tới và trầm hơn khitàu xa dần. Tần số những
photonmà người quansát (haynguyên tử) đang chuyển độngkhác với tần số
mà tia laser phát ra.
Từ sự giảm tốc độ cho đến sự làm lạnh
Nhưng đến đâythì những thủ tục trên chỉ làmchậm lại những nguyên
tửđang bay nhanhkhủng khiếp trong một tia phóng.Bây giờ làm saolàm lạnh một
hơi nóng mà nơi đó các nguyên tử chạytán loạn vô phương hường với tốc độ rất
lớn?
Kết hợp nhiều tia laser
Thiết bị thích đáng được đề nghị từ năm1976bởi hai nhà vật lý của đại
học Stanfordlà dùng nhiều chùm tia laser. Ta có thể hiểu được cáchhoạt động
của chúngbằng cách quan sát dọc theo đường thẳng trênđó ngườita phát hai
chùmtia laser y hệt nhau, lantruyền theohướng ngượcnhau.Ðiều chỉnhlàm sao
cho tần số các tia laser thấp hơn tần số riêng của nguyên-tử-đang-chuyển-động
một chút
Với 6 chùmtia laser,đối nhautừng cặp một theo3 hướng trong khônggian:
áp suấtbức xạ sẽ đi ngượclại với chuyển động của nguyên tử chodù chúng có
chạyqua bên phải, bên trái haylên trên, xuống dưới hoặc ra đằng trước hayđằng
sau. Nguyên tử bấy giờ bị phanhlại rất mạnh mẽ chodù nó đi đâu đi chăng nữa.
Nó như đang di chuyển trong một dung dịch rấtnhờn màngười ta gọi làmélasse
optique.Mélasse optiquelàm lắngdịu lại sự sôi độngnhiệt của những nguyêntử
và làm chúng đônglạnh hoàn toàn, tại chỗ.
Thí nghiệm lần đầu tiêntại phòng thí nghiệm AT&TBell tại Hoa Kỳ năm
1985 cho ra những nguyên tử có nhiệtđộ dưới một phần ngàn độ Kelvin, tượng

trưng với vận tốc trungbình vài chục centimét/giây. Và sự hãm vận tốc này được
thực hiện trong phần ngàn giây.
Vài năm sau lần thí nghiệm đầu tiên về mélasseoptique,năm 1990, một ê
kíp người Pháp đã đoạt kỷ lục gần không độ tuyệt đối : 2µK tức làchỉ cao hơn 0K
có 2 phần triệuđộ!
Sự phát triển lớn trong lãnhvực thực nghiệmkèm theo những tiến bộ quan
trọng về lýthuyết nhờ những ê kíp Mỹ vàPháp.
Nếu dựa trên căn bản lý luận như trình bày ở trên về cơ chế làm lạnh, còn
gọi là "mélasseDoppler", người ta có thể tính được nhiệt độ giới hạn mà không
thể nào xuốngthêm được. Lực masát của mélasselàm các nguyên tử bấtđộng
hoàn toàn, vì bị ngăn trở khinhững nguyên tử bị khá lạnhdosự phátxạ photon
huỳnh quang như ta đã nói ở trên. Do sự thụt lùimỗi khi phát ra photon
fluorescens một cách tình cờ, và khắp mọi hướng cộng vớisự masát mà nguyên
tử chỉ còn một sự khuấy động tuy cònsót lại chút ít nhưng nó làm cho giớihạn
nhiệt độ còn 200µ°K
Ngay cả nhữnglần thí nghiệm đầu tiên,giớihạn đó gầnđạt tới, rồi thì giới
hạn càng tiến xa hơn dự tính. Theo nhữngnhà vật lý thì còn nhữngcơ chế khác đó
là hiệu ứng cơ họccủa ánh sáng, độc lập với ápsuất bức xạ.
Làm lạnh tốt hơn nhờ đặc tinh sóng của ánh sáng
Sóng ánh sáng tạo cho nguyên tử một hình nổi thật sự donhững chỗ lồi lõm
của nó. Nguyêntử đã bị chậm lại bởi hiệu ứngmélasse rồi còn phải lên xuống
những chỗ lổi lõm. Người ta còn sắpđặt cho nguyên tử lên nhiều hơn là xuốngđể
nó mấtnhiềunăng lượng và bị kẹt trong chỗ lõm, nơi đó nó ở nhiệt độ rất thấp
Cái bẫy cho những nguyên tử siêu lạnh
Những mélasse dephotons làm lạnh cácnguyêntử ở nhiệtđộ rất thấp,
nhưng chúng chưa thựcthụ bị giamhãm. Chúngcòn đi đượcvận tốc vài
phân mỗi giây theođường chữ z (zigzag), lộn xộn khôngtheo phương hướngnào
cả vì mỗi lần nó gặp mộtphoton là nóđổi hướng. Tuy vậy không gì ngăn cản nó đi
về hướng mép của mélasse (tạo thànhbởi vùng giao nhau của 6chùm tia laser)để
trốn chạy. Nghĩa là người ta phanh nólại nhưngkhông bẫy nó được.

Ðể giải quyết vấn đề bất tiện này, những nhànghiên cứu Pháp đề nghị hoàn
thiện mélasse bằng cách thêm vào mộttừ trường cho 6 chùm tia
Ghép đôi laser-từ trường
Từ trườnglàm thayđổi cơ cấu trongnguyêntử và tần số riêngcủa chúng Do
đó có mộtsự thay đổiápsuất bứcxạ mà nhữngphoton gây trên nó. Với một từ
trường thay đổi chung quanh mộttâm điểm, người ta có thể điều chỉnhđược áp
suất bức xạ như thế nàođể áp suất đưa các nguyên tử vôgiữa trung tâm trong lúc
vẫn tạo được hiệu ứng mélasse
Ðể chất đầy nguyêntử lạnhvôbẫy , thoạt đầu các nhà nghiêncứu dùng một
tia nguyên tử (jetd'atomes) đã được làm chậm.Nhưng sau đó họ nhậnthấy rằng
những nguyên tử đến trung tâm quá dễ dàng, ngay cả khi tia nguyên tử không
hướngvề phíatrung tâm. Dođó họ nghĩ rằng họ cóthể chụp bắtđược nguyêntử
trong những điều kiện khó khăn hơn Họ liền đặt cái bẫy ở giữa một vật chứa khí
nguyêntử bằng thuỷ tinh,ở nhiệtđộ thường.Bẫy tốt đến nỗi nó bẫy luôn những
nguyêntử gần trungtâm và làm lạnhchúng và giữ chúng ở tình trạng lơ lửng: sau
khoảng một phần mấy giây, nhiều nguyên tử dính kết lại thành một đámmây nhỏ,
sáng mà tỉ trọng gấp ngàn lần chất khí.Ngoài ra những nguyên tử này rất lạnh
trong lúc nguyên tử chât khí thì nóng
Thí nghiệm này khởi đầu được thực hiện với những nguyên tử Césium và tia
laser có độ dài sóng850nmtương đươngvới màu đỏ sậm, chỉ thấy vừaphải không
rõ, gầnnhư infrarouge. Ðể nhìn thấy rõmây (nguyên tử lạnh), nên dùng caméra
infrarouge. Người ta cũng làm thínghiệmvới những nguyên tử Natri vàtia laser
màu vàng vớiđộ dài sónglà 690 nm
Tronghaitrường hợp, ta thấy rất rõ mây tạo thành ngaykhi mới vừa cắm
máy laser.
Mây chiếu sánglàdo các các nguyên tử phát các photon huỳnh quang ra
khắpmọi nơi . Số nguyêntử bị mắc bẫy có khoảng 100triệu đến1 tỉ cho đámmây
có đườngkính vài milimét
Những nguyên tử lạnh bi mắc bẫy dùng để làm gì?
Những nguyên tử lạnh bị bẫy mở ra những triểnvọng mới chongành vật lý

dùngnhiệt độ rấtthấp. Các nguyên tử rất lạnh này sẽ tự đôngđặcthành mạng đều
đặn haytích tụ dưới nhữnghìnhthức khác như trạng thái lạ lùng của vật chất
mà Bose và Einsteinđã tiên đoán năm 1925nhưng chưa bao giờ được quansát
cho đến ngày nay.
Bẫy nguyên tử phóng xạ
Các nhà vật lý đã bẫy những loại nguyên tử khác nhau.Nhiều ê kíp nghiên
cứuchuyệnbẫy các nguyêntử phóngxạ đặc biệt những loại hiếm.Khi chúng bị bẫy,
ta có thể bắt chúng đứng yên để quan sát
Bẫy những phản vật chất
Ý tưởng lạ lùng nhất là chứa những phảnvật chất trongbẫy. Thườngthì
những phản phật chất bị tiêu tan vớivật chất cho nên ta không thể chứa chúng
trong đồ đựng bình thường.Bẫy phải đượccấu tạo bởi một hộp phivật chất
(immatériel) trong đó phảnvậtchất được chứa một cách an toàn