Hail the Judge
Ta chơi xong không trả tiền, vậy đâu có gọi là bán
Các nhà vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã ghi lại được những bức ảnh đầu tiên từ trước đến nay về các nguyên tử "tự do" (free-range atoms). Thành tựu đột phá này hứa hẹn sẽ giúp các nhà khoa học hình dung rõ nét hơn về các hiện tượng lượng tử trong không gian thực tế.
Những bức ảnh mới và nghiên cứu liên quan, được công bố trong tuần này trên tạp chí khoa học uy tín Physical Review Letters, đã dựa trên các kỹ thuật hình ảnh mới lạ để có thể phân giải được từng nguyên tử đơn lẻ, tự do. Hệ thống "kính hiển vi phân giải nguyên tử" (atom-resolved microscopy) của nhóm nghiên cứu sử dụng một "mạng lưới ánh sáng giúp đóng băng các nguyên tử trong chuyển động của chúng trong giây lát". Sau đó, các tia laser được điều chỉnh chính xác sẽ nhanh chóng chiếu sáng các nguyên tử đang lơ lửng, tạo ra một "hình ảnh về vị trí của chúng trước khi các nguyên tử tự nhiên phân tán đi", theo giải thích trong thông cáo báo chí của MIT.
Các nhà vật lý đã sử dụng kỹ thuật mới này để hình dung các đám mây gồm nhiều loại nguyên tử khác nhau, bao gồm cả các nguyên tử được gọi là "boson". Nhờ một hiện tượng lượng tử, các boson này sau đó đã tụ lại thành một dạng sóng. Nhóm nghiên cứu cũng quan sát thấy các "fermion" đang tích cực ghép cặp với nhau trong không gian tự do. Giáo sư Martin Zwierlein, Giáo sư Vật lý Thomas A. Frank tại MIT, chia sẻ: "Chúng tôi có thể nhìn thấy từng nguyên tử đơn lẻ trong những đám mây nguyên tử thú vị này và những gì chúng đang làm trong mối quan hệ với nhau, điều đó thật tuyệt đẹp."
Hai nhóm nghiên cứu khác sử dụng các kỹ thuật hình ảnh tương tự cũng đã báo cáo kết quả của họ trong số mới của tạp chí, bao gồm một nhóm do nhà khoa học đoạt giải Nobel Wolfgang Ketterle, Giáo sư Vật lý John D. MacArthur tại MIT, dẫn đầu, và một nhóm từ École Normale Supérieure ở Paris do Tarik Yefsah đứng đầu. Nhóm của Giáo sư Ketterle tập trung vào các tương quan cặp tăng cường giữa các boson, trong khi nhóm của Yefsah chụp ảnh các fermion không tương tác.
Dễ dàng hình dung được sự khó khăn của việc chụp ảnh một nguyên tử đơn lẻ do kích thước cực kỳ nhỏ bé của nó. Một nguyên tử đơn lẻ có đường kính chỉ khoảng một phần mười của một nanomet, hay nói cách khác, bằng một phần triệu độ dày của một sợi tóc người.
Trước đây, các nhà khoa học đã có thể chụp ảnh nguyên tử nhờ các kỹ thuật như chụp ảnh hấp thụ (absorption imaging), trong đó một tia laser chiếu vào một đám mây nguyên tử và tạo ra bóng đổ lên một cảm biến hình ảnh. Tuy nhiên, những kỹ thuật này chỉ cho thấy cấu trúc và hình dạng tổng thể của một đám mây nguyên tử, chứ không phải từng nguyên tử riêng lẻ. Giáo sư Zwierlein ví von kỹ thuật chụp ảnh hấp thụ giống như "nhìn thấy một đám mây trên bầu trời, nhưng không phải từng phân tử nước riêng lẻ tạo nên đám mây đó."
Giáo sư Zwierlein và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng một kỹ thuật hoàn toàn khác. Kính hiển vi phân giải nguyên tử đòi hỏi một đám mây nguyên tử phải được giữ trong không gian bằng một "bẫy" chùm tia laser. Bên trong bẫy này, các nguyên tử vẫn có thể tự do tương tác với nhau, điều này rất quan trọng để hiểu được các hiện tượng lượng tử đang diễn ra. Sau đó, như đã đề cập, một mạng lưới ánh sáng sẽ "đóng băng" các nguyên tử tại vị trí của chúng. Cuối cùng, một tia laser thứ hai xuất hiện, chiếu sáng các nguyên tử đang lơ lửng. Sự phát huỳnh quang của chúng sẽ tiết lộ vị trí của chúng cho một cảm biến chuyên dụng cao.
"Phần khó nhất là thu thập ánh sáng từ các nguyên tử mà không làm chúng bị 'sôi' ra khỏi mạng lưới quang học," Giáo sư Zwierlein nói. "Bạn có thể tưởng tượng nếu bạn dùng súng phun lửa vào những nguyên tử này, chúng sẽ không thích điều đó. Vì vậy, chúng tôi đã học được một số mẹo qua nhiều năm để làm điều này. Và đây là lần đầu tiên chúng tôi thực hiện nó tại chỗ (in-situ), nơi chúng tôi có thể đột ngột đóng băng chuyển động của các nguyên tử khi chúng đang tương tác mạnh mẽ, và nhìn thấy chúng, lần lượt từng cái một. Đó là điều làm cho kỹ thuật này mạnh mẽ hơn những gì đã được thực hiện trước đây."
Kết quả hình ảnh mới này là thành quả của nhiều thập kỷ làm việc đối với Giáo sư Ketterle. Ông đã giành giải Nobel Vật lý năm 2001 với tư cách là một phần của nhóm đầu tiên tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein từ các nguyên tử natri, một trạng thái vật chất nơi tất cả các boson chia sẻ một trạng thái lượng tử thống nhất. Giờ đây, nhóm của Giáo sư Ketterle đã chụp được những hình ảnh mới lạ về các boson.
Nhóm của Giáo sư Zwierlein đã chụp ảnh từng nguyên tử natri riêng lẻ trong đám mây nguyên tử và quan sát thấy các nguyên tử chia sẻ cùng một sóng cơ học lượng tử. Đặc tính giống sóng này, được đặt theo tên người phát hiện ra nó, Louis de Broglie, đã góp phần thúc đẩy kỷ nguyên hiện đại của cơ học lượng tử. "Chúng ta hiểu thêm rất nhiều về thế giới từ bản chất giống sóng này," Giáo sư Zwierlein tiếp tục. "Nhưng thực sự rất khó để quan sát những hiệu ứng lượng tử, giống sóng này. Tuy nhiên, trong kính hiển vi mới của chúng tôi, chúng tôi có thể hình dung trực tiếp sóng này."
Lần đầu tiên tại chỗ, nhóm nghiên cứu của MIT đã chứng kiến các boson chia sẻ một sóng de Broglie lượng tử, tương quan duy nhất. Các quan sát này cho thấy những hiện tượng vật lý thực tế, trước đây chỉ được chứng minh thông qua toán học thuần túy.
"Loại ghép cặp này là cơ sở của một cấu trúc toán học mà mọi người đã nghĩ ra để giải thích các thí nghiệm. Nhưng khi bạn nhìn thấy những bức ảnh như thế này, nó đang hiển thị trong một bức ảnh, một đối tượng đã được khám phá trong thế giới toán học," đồng tác giả nghiên cứu Richard J. Fletcher giải thích. "Vì vậy, đó là một lời nhắc nhở rất hay rằng vật lý là về những thứ vật chất. Nó là có thật." Các nhà khoa học sẽ bắt đầu sử dụng kỹ thuật hình ảnh mới của mình để quan sát các hiện tượng kỳ lạ hơn nữa, chẳng hạn như "vật lý Hall lượng tử" – những tình huống khi các electron tương tác thể hiện các hành vi tương quan khi có sự hiện diện của từ trường.
Giáo sư Zwierlein hy vọng: "Đó là nơi lý thuyết trở nên thực sự phức tạp – nơi mọi người bắt đầu vẽ tranh thay vì có thể viết ra một lý thuyết hoàn chỉnh vì họ không thể giải quyết hoàn toàn nó. Bây giờ chúng tôi có thể xác minh xem những 'phim hoạt hình' về các trạng thái Hall lượng tử này có thực sự tồn tại hay không. Bởi vì chúng là những trạng thái khá kỳ quái."
Thành tựu chụp ảnh nguyên tử "tự do" này không chỉ là một bước tiến kỹ thuật mà còn mở ra một cánh cửa mới để khám phá và hiểu sâu hơn về những bí ẩn của thế giới lượng tử, hứa hẹn những khám phá quan trọng trong tương lai của ngành vật lý.
Những bức ảnh mới và nghiên cứu liên quan, được công bố trong tuần này trên tạp chí khoa học uy tín Physical Review Letters, đã dựa trên các kỹ thuật hình ảnh mới lạ để có thể phân giải được từng nguyên tử đơn lẻ, tự do. Hệ thống "kính hiển vi phân giải nguyên tử" (atom-resolved microscopy) của nhóm nghiên cứu sử dụng một "mạng lưới ánh sáng giúp đóng băng các nguyên tử trong chuyển động của chúng trong giây lát". Sau đó, các tia laser được điều chỉnh chính xác sẽ nhanh chóng chiếu sáng các nguyên tử đang lơ lửng, tạo ra một "hình ảnh về vị trí của chúng trước khi các nguyên tử tự nhiên phân tán đi", theo giải thích trong thông cáo báo chí của MIT.
Các nhà vật lý đã sử dụng kỹ thuật mới này để hình dung các đám mây gồm nhiều loại nguyên tử khác nhau, bao gồm cả các nguyên tử được gọi là "boson". Nhờ một hiện tượng lượng tử, các boson này sau đó đã tụ lại thành một dạng sóng. Nhóm nghiên cứu cũng quan sát thấy các "fermion" đang tích cực ghép cặp với nhau trong không gian tự do. Giáo sư Martin Zwierlein, Giáo sư Vật lý Thomas A. Frank tại MIT, chia sẻ: "Chúng tôi có thể nhìn thấy từng nguyên tử đơn lẻ trong những đám mây nguyên tử thú vị này và những gì chúng đang làm trong mối quan hệ với nhau, điều đó thật tuyệt đẹp."
Hai nhóm nghiên cứu khác sử dụng các kỹ thuật hình ảnh tương tự cũng đã báo cáo kết quả của họ trong số mới của tạp chí, bao gồm một nhóm do nhà khoa học đoạt giải Nobel Wolfgang Ketterle, Giáo sư Vật lý John D. MacArthur tại MIT, dẫn đầu, và một nhóm từ École Normale Supérieure ở Paris do Tarik Yefsah đứng đầu. Nhóm của Giáo sư Ketterle tập trung vào các tương quan cặp tăng cường giữa các boson, trong khi nhóm của Yefsah chụp ảnh các fermion không tương tác.
Dễ dàng hình dung được sự khó khăn của việc chụp ảnh một nguyên tử đơn lẻ do kích thước cực kỳ nhỏ bé của nó. Một nguyên tử đơn lẻ có đường kính chỉ khoảng một phần mười của một nanomet, hay nói cách khác, bằng một phần triệu độ dày của một sợi tóc người.
Trước đây, các nhà khoa học đã có thể chụp ảnh nguyên tử nhờ các kỹ thuật như chụp ảnh hấp thụ (absorption imaging), trong đó một tia laser chiếu vào một đám mây nguyên tử và tạo ra bóng đổ lên một cảm biến hình ảnh. Tuy nhiên, những kỹ thuật này chỉ cho thấy cấu trúc và hình dạng tổng thể của một đám mây nguyên tử, chứ không phải từng nguyên tử riêng lẻ. Giáo sư Zwierlein ví von kỹ thuật chụp ảnh hấp thụ giống như "nhìn thấy một đám mây trên bầu trời, nhưng không phải từng phân tử nước riêng lẻ tạo nên đám mây đó."
Giáo sư Zwierlein và các đồng nghiệp của ông đã sử dụng một kỹ thuật hoàn toàn khác. Kính hiển vi phân giải nguyên tử đòi hỏi một đám mây nguyên tử phải được giữ trong không gian bằng một "bẫy" chùm tia laser. Bên trong bẫy này, các nguyên tử vẫn có thể tự do tương tác với nhau, điều này rất quan trọng để hiểu được các hiện tượng lượng tử đang diễn ra. Sau đó, như đã đề cập, một mạng lưới ánh sáng sẽ "đóng băng" các nguyên tử tại vị trí của chúng. Cuối cùng, một tia laser thứ hai xuất hiện, chiếu sáng các nguyên tử đang lơ lửng. Sự phát huỳnh quang của chúng sẽ tiết lộ vị trí của chúng cho một cảm biến chuyên dụng cao.
"Phần khó nhất là thu thập ánh sáng từ các nguyên tử mà không làm chúng bị 'sôi' ra khỏi mạng lưới quang học," Giáo sư Zwierlein nói. "Bạn có thể tưởng tượng nếu bạn dùng súng phun lửa vào những nguyên tử này, chúng sẽ không thích điều đó. Vì vậy, chúng tôi đã học được một số mẹo qua nhiều năm để làm điều này. Và đây là lần đầu tiên chúng tôi thực hiện nó tại chỗ (in-situ), nơi chúng tôi có thể đột ngột đóng băng chuyển động của các nguyên tử khi chúng đang tương tác mạnh mẽ, và nhìn thấy chúng, lần lượt từng cái một. Đó là điều làm cho kỹ thuật này mạnh mẽ hơn những gì đã được thực hiện trước đây."
Kết quả hình ảnh mới này là thành quả của nhiều thập kỷ làm việc đối với Giáo sư Ketterle. Ông đã giành giải Nobel Vật lý năm 2001 với tư cách là một phần của nhóm đầu tiên tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein từ các nguyên tử natri, một trạng thái vật chất nơi tất cả các boson chia sẻ một trạng thái lượng tử thống nhất. Giờ đây, nhóm của Giáo sư Ketterle đã chụp được những hình ảnh mới lạ về các boson.
Nhóm của Giáo sư Zwierlein đã chụp ảnh từng nguyên tử natri riêng lẻ trong đám mây nguyên tử và quan sát thấy các nguyên tử chia sẻ cùng một sóng cơ học lượng tử. Đặc tính giống sóng này, được đặt theo tên người phát hiện ra nó, Louis de Broglie, đã góp phần thúc đẩy kỷ nguyên hiện đại của cơ học lượng tử. "Chúng ta hiểu thêm rất nhiều về thế giới từ bản chất giống sóng này," Giáo sư Zwierlein tiếp tục. "Nhưng thực sự rất khó để quan sát những hiệu ứng lượng tử, giống sóng này. Tuy nhiên, trong kính hiển vi mới của chúng tôi, chúng tôi có thể hình dung trực tiếp sóng này."
Lần đầu tiên tại chỗ, nhóm nghiên cứu của MIT đã chứng kiến các boson chia sẻ một sóng de Broglie lượng tử, tương quan duy nhất. Các quan sát này cho thấy những hiện tượng vật lý thực tế, trước đây chỉ được chứng minh thông qua toán học thuần túy.
"Loại ghép cặp này là cơ sở của một cấu trúc toán học mà mọi người đã nghĩ ra để giải thích các thí nghiệm. Nhưng khi bạn nhìn thấy những bức ảnh như thế này, nó đang hiển thị trong một bức ảnh, một đối tượng đã được khám phá trong thế giới toán học," đồng tác giả nghiên cứu Richard J. Fletcher giải thích. "Vì vậy, đó là một lời nhắc nhở rất hay rằng vật lý là về những thứ vật chất. Nó là có thật." Các nhà khoa học sẽ bắt đầu sử dụng kỹ thuật hình ảnh mới của mình để quan sát các hiện tượng kỳ lạ hơn nữa, chẳng hạn như "vật lý Hall lượng tử" – những tình huống khi các electron tương tác thể hiện các hành vi tương quan khi có sự hiện diện của từ trường.
Giáo sư Zwierlein hy vọng: "Đó là nơi lý thuyết trở nên thực sự phức tạp – nơi mọi người bắt đầu vẽ tranh thay vì có thể viết ra một lý thuyết hoàn chỉnh vì họ không thể giải quyết hoàn toàn nó. Bây giờ chúng tôi có thể xác minh xem những 'phim hoạt hình' về các trạng thái Hall lượng tử này có thực sự tồn tại hay không. Bởi vì chúng là những trạng thái khá kỳ quái."
Thành tựu chụp ảnh nguyên tử "tự do" này không chỉ là một bước tiến kỹ thuật mà còn mở ra một cánh cửa mới để khám phá và hiểu sâu hơn về những bí ẩn của thế giới lượng tử, hứa hẹn những khám phá quan trọng trong tương lai của ngành vật lý.
