Luận văn trạng thái cơ bản của ngưng tụ khí bose einstein hai thành phần phân tách yếu

Điều này có ý nghĩa lớn là tạo nên một dạng vật chất mói trong đó các hạt bị giam chung ừong trạng thái ở năng lượng thấp nhất, đã mở ra nhiều triển vọng nghiên cứu ừong Vật lý.. 1.2 Tìn

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN THỤ

HÀ NỘI, 2015

ơn sâu sắc tới TS Nguyễn Văn Thụ ngưòi đã định hướng chọn đề tài và tận tình hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành luận văn này.

Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tói phòng Sau đại học, các thầy cô giáo giảng dạy chuyên ngành Vật lý lý thuyết và Vật lý Toán trường Đại học sư phạm Hà Nội 2 đã giúp đỡ tôi ừong suốt quá trình học tập và làm luận văn

Cuối cùng, tôi xin được gửi lòi cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè

đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện về mọi mặt trong quá trình học tập để tôi hoàn thành luận văn này

Hà Nội, ngày tháng 06 năm 2015

Tác giả

Đào Thị Lan

ngành Vật lý lý thuyết và Vật lý toán vói đề tài “Trạng thái cơ bản của ngưng

tụ khí Bose - Einstein hai thành phần phân tách yếu” được hoàn thành bỏi chính sự nhận thức của bản thân, không trùng với bất cứ luận văn nào khác.Trong khi nghiên cứu luận văn, tôi đã kế thừa những thành tựu của các nhà khoa học với sự trân ừọng và biết ơn

Hà Nội, ngày tháng 06 năm 2015

Tác giả

Đào Thị Lan

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỒNG QUAN CÁC NGHIÊN c ứ u VÈ NGƯNG TỤ BOSE - EINSTEIN 3

1.1 Thống kê Bose - Einstein 3

1.2 Tình hình nghiên cứu về ngưng tụ Bose - Einstein 11

1.3 Thực nghiệm về ngưng tụ Bose - Einstein 14

CHƯƠNG 2: TRẠNG THÁI c ơ BẢN CỦA NGƯNG TỤ BOSE - EINSTEIN HAI THÀNH PHẦN PHÂN TÁCH Y ẾU 24

2.1 Lý thuyết Gross-Pitaevskii 24

2.2 Trạng thái cơ bản của ngưng tụ Bose - Einstein hai thành phần phân tách yếu 27

2.3 Một số trường hợp minh họa 36

CHƯƠNG 3: Đ ộ XUYÊN THẤU CỦA NGƯNG TỤ BOSE - EINSTEIN■ • HAI THÀNH PHÀN 38

3.1 Gần đúng bậc nhất cho ừạng thái cơ bản 38

3.2 Độ xuyên thấu 40

KẾT LUẬN 42■

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trạng thái ngưng tụ Bose - Einstein được tạo ra đầu tiên ừên thế giói (BEC - Bose - Einstein condensate) từ những nguyên tử lạnh năm 1995 Điều này có ý nghĩa lớn là tạo nên một dạng vật chất mói trong đó các hạt bị giam chung ừong trạng thái ở năng lượng thấp nhất, đã mở ra nhiều triển vọng nghiên cứu ừong Vật lý Đây là lĩnh vực đã và đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà Vật lý ừên thế giới Trong trạng thái BEC chứng ta có thể quan sát được nhiều hiệu ứng Vật lý mà các dạng vật chất khác không có

Ngưng tụ Bose - Einstein là một lĩnh vực nghiên cứu rộng, phong phú,

ví dụ như: Bose - Einstein ừong cản quang, Bose - Einstein ừong các hệ thấp chiều, ngưng tụ Bose - Einstein một thành phần, ngưng tụ Bose - Einstein hai thành phần Để nghiên cứu được chuyên sâu hơn, tôi chọn đề tài “Trạng thái

cơ bản của ngưng tụ khí Bose - Einstein hai thành phần phân tách yếu”

làm đề tài nghiên cứu của mình

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu trạng thái cơ bản ngưng tụ khí Bose - Einstein hai thành phần phân tách yếu ừong gần đứng thích hợp

- Tính toán độ xuyên thấu của BEC 2 thành phần

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Tìm hiểu “Trạng thải cơ bản của ngưng tụ khí Bose - Einstein hai thành

phần phân tách yế u " ừên cơ sở thống kê Bose - Einstein, phương trình

Gross-Pitaevskii tổng quát

4 Đổi tượng và phạm vi nghiên cứu

Các phương trình Gross-Pitaevskii

Nghiên cứu “Trạng thải cơ bản của ngưng tụ khỉ Bose - Einstein hai

thành phần phân tách yếu ”

5 Phương pháp nghiên cứu

Đọc tài liệu liên quan

Sử dụng các kiến thức ừong Vật lý thống kê, cơ học lượng tử và các phương pháp giải tích toán học

CHƯƠNG 1 TỒNG QUAN CÁC NGHIÊN c ứ u VÈ NGƯNG TỤ BOSE -

EINSTEIN 1.1 Thống kê Bose - Einstein

Đối với các hệ hạt đồng nhất, chứng ta không cần biết cụ thể hạt nào ở trạng thái nào mà chỉ cần biết ừong mỗi trạng thái đơn hạt có bao nhiêu hạt Xuất phát từ công thức chính tắc lượng tử [1],

ở đây, £[ là năng lượng của một hạt riêng lẻ của hệ, ĩiị là số chứa đầy tức là số hạt có cùng năng lượng Eị.

Số hạt trong hệ có thể nhận giá ừị từ 0 —> oo với xác suất khác nhau Độ suy biến (Jk ừong (1.1) sẽ tìm được bằng cách tính số các trạng thái khác nhau

về phương diện Vật lý ứng với cùng một giá trị Eỵ đó chính là số mới vì số

hạt ừong hệ không phải là bất biến nên tương tự như trường hợp thống kê cổ điển thay thế cho phân bố chính tắc lượng tử ta có thể áp dụng phân bố chính tắc lớn lượng tử hay phân bố Gibbs suy rộng

Phân bố chính tắc lớn lượng tử có dạng

(1.1)

ừong đó fjh là độ suy biến.

Nếu hệ gồm các hạt không tương tác thì ta có

(1.2)

W (n 0,ni, ) = -^ ỵ e x p ịn + yưiV- ^ n i e \ g k, (1.3)

trong đó N — ^ ĩ i Ị , í ĩ là thế nhiệt động lớn, ỊẦ là thế hóa.

Sở dĩ có thừa số ^ xuất hiện trong công thức (1.3) là vì có kể đến tínhđồng nhất của các hạt và tính không phân biệt của các trạng thái mà ta thu được do hoán vị các hạt.

Từ đây ta có hai nhận xét về công thức (1.5) như sau

Một là vế phải của (1.5) có thể coi là hàm của các Uị nên ta có thể đoán nhận công thức đó như là xác suất để cho có no hạt nằm ừên mức £(), riị hạt nằm ừê mức £ỉ, nghĩa là, đó là xác suất chứa đầy Do đó nhờ công thức này ta

có thể tìm được số hạt trung bình nằm ừên các mức năng lượng

m = n i W ( n 0, ĩ i ị, )

n 0

= ^ 2 " Mỉ exp 1 — 1 ^ ~ § -\ G (n 0, nu )• (1 -6)

Hai là đại lượng G(n0, ĩ i ị, ) xuất hiện vì ta kể đến khả năng xuất hiện

các trạng thái Vật lý mới hoán vị (về tọa độ) các hạt Đối với hệ boson và hệ fermion, tức là hệ được mô tả bằng hàm sóng đối xứng và phản đối xứng, thì các phép hoán vị đều không đưa đến một trạng thái Vật lý mới nào cả, bởi vì khi đó hàm sóng của hệ sẽ chỉ hoặc không đổi dấu, hoặc đổi dấu nghĩa là diễn

tả cùng một trạng thái lượng tử Do đó đối với các hạt boson và hạt fermion ta có

thái khác nhau về phương diện Vật lý sẽ bằng số hoán vị tổng cộng N1 chia

cho số hoán vị trong các nhóm có cùng năng lượng tức là chia cho

Khi đó

thay giá trị của fjh vào (1.4) ta thu được (1.7) Để tính trị trung bình của các số

chứa đầy (số hạt trung bình nằm ừên mức năng lượng khác nhau) ta gắn cho

đại lượng /i ừong công thức (1.5) chỉ số ỉ, tức là ta sẽ coi hệ ta xét hình như

không phải chỉ có một thế hóa học ỊẨ-mà ta có cả một tập hợp thế hóa học ỊẤ[

Và cuối phép tính ta cho ụ-i = Ị-i.

Tiến hành phép thay thế như ừên ta có thể viết điều kiện chuẩn hóa nhưsau

Nếu trong biểu thức (1.12) ta đặt í-ii = Ị -1 thì theo (1.6) vế phải của công thức (1.12) có nghĩa là giá trị trung bình của số chứa đầy riị tức là ta thu được

ta có (1.16) là công thức của thống kê Bose - Einstein Thế hóa học ỊẦ trong

công thức (1.16) được xác định từ điều kiện

CXJ

^ H Ị = iV

N0Đối với khí lí tưởng, theo công thức của thống kê Bose - Einstein, số hạt

trung bình có năng lượng ừong khoảng từ £ —>• e + de bằng

dN{e) dn{è)

exp< Ị 1

(1.18)

1

trong đó dN[e) là số các mức năng lượng trong khoảng £ —)•£ + d,£.

cho ta số các sóng dừng có chiều dài (mô đun) của véctơ k từ k —>• k + dk

Vì các hạt có thể có các định hướng spin khác nhau nên số trạng thái khả

dĩ ứng với cùng một giá trị của spin V của hạt g = ‘2s + 1 Do đó, số các mức

năng lượng trong khoảng ; -? £ + dt là

Theo (1.18) số hạt trung bình có năng lượng trong khoảng £ —> г + de là

Phương trình này về nguyên tắc cho ta xác định thế hóa học /Li Ta xét

một số tính chất tổng quát của thế hóa học /Li đối với khí bose lí tưởng Đầu

tiên ta chứng minh rằng

Thực vậy, số hạt trung bình dnịe) chỉ có thể là một số dương, do đó,

theo (1.23), điều kiện đó chỉ thỏa mãn khi mẫu số ở (1.23) luôn luôn dương

[ e — /i"|

(nghĩa là khi 1-1 < 0, đê cho errp j —-— I luôn luôn lớn hơn 1 vói mọi giá trị

của 5 )

Tiếp theo chúng ta có thể chứng minh rằng, ỊJL giảm dần khi nhiệt độ tăng

lên Thực vậy, áp dụng qui tắc lấy đạo hàm các hàm ẩn vào (1.24) ta có:

Nhưng do (1.24) nên í.' — Ịi > 0, do đó biểu thức dưới dấu tích phân ở vế phải

ớ/i(1.26) luôn luôn dương với mọi giá trị của 5, vì vậy 7^ < 0 Từ các tính chât

dụ,

ỊẤ < 0 và 7^ < 0 của hàm Ị-t ta thây khi nhiệt độ giảm thì ỊẨ-tăng (từ giá trị âm

tăng đến giá trị lớn hơn “nhưng vẫn là âm”) và tới nhiệt độ Tị) nào đó ịjb sẽ đạt giá trị cực đại bằng không (ịhnax = 0)

Đối với tất cả các khí bose quen thuộc thì nhiệt độ đó là rất nhỏ Chẳng hạn

như đối với 4He [1], ngay cả với khối lượng riêng của chất lỏng Hêli vào cỡ

120kg/m3 ta được Tị) = 2,19° K Tuy nhiên, sự tồn tại nhiệt độ Tị-ị / 0 có ý nghĩa rất quan ừọng Để hiểu ý nghĩa của nó ta xét khoảng nhiệt độ

о < т <Tq Khi giảm nhiệt độ xuống tới 10 thì thế hóa học Ị-1 tăng tới giá trị

ịhnax = 0, mà 7^, < 0 nên fjb không thể giảm nữa, do đó ừong khoảng nhiệt

Vì số hạt toàn phần trong hệ là không đổi, nên kết quả trên phải được

đoán nhận Vật lý một cách đặc biệt Khi T < Tị) thì N < N chỉ ra rằng số hạt toàn phần N chỉ có một phần số hạt N r có thể phân bố theo các mức năng

lượng một cách tương ứng với công thức (1.18), tức là

2 / * e x p Ị í Ị - l ( 2 3 1 )0 0 3 / 2 e x p Ị í Ị - l

Các hạt còn lại Л' - N \ cần phải được phân bố như thế nào đó khác đi, chẳng

hạn như tất cả số đó nằm trên mức năng lượng thấp nhất, nghĩa là chúng hình

như nằm ở một pha khác mà người ta quy ước gọi là pha ngưng tụ.

Như vậy ở các nhiệt độ thấp hơn 7|), một phần các hạt của khí bose sẽnằm ở mức năng lượng thấp nhất (năng lượng không) và các hạt còn lại sẽ

1.2 Tình hình nghiên cứu về ngưng tụ Bose - Einstein

Ngưng tụ Bose - Einstein là một trạng thái vật chất của khí boson loãng

bị làm lạnh đến nhiệt độ rất gần độ không tuyệt đối (hay rất gần giá trị 0 K hay -273°C) Dưới những điều kiện này, một tỉ lệ lớn các boson tồn tại ở trạng thái lượng tử thấp nhất, tại điểm mà các hiệu ứng lượng tử ừở lên rõ rệt ở mức vĩ mô Những hiệu ứng này được gọi là hiện tượng lượng tử mức vĩ mô Hiện tượng này được dự đoán bởi Einstein vào năm 1925 cho các nguyên tử với spin toàn phần có những giá trị nguyên Dự đoán này dựu ừên ý tưởng về một phân bố lượng tử cho các photon được đưa ra bởi Bose trước đó một năm

để giải thích phổ phát xạ và hấp thụ của các vật đen tuyệt đối Einstein sau đó

mở rộng ý tưởng của Bose cho hệ hạt vật chất Những nỗ lực của Bose và Einstein cho kết quả về khái niệm khí bose ừong khuôn khổ lý thuyết thống

kê Bose - Einstein, miêu tả phân bố thống kê của những hạt đồng nhất vói spin nguyên, mà sau này Paul Dirac gọi là các boson Các hạt boson bao gồm photon cũng như các nguyên tử Heli-4 được phép tồn tại ở cùng trạng thái lượng tử như nhau Einstein chứng minh rằng khi làm lạnh các nguyên tử boson đến nhiệt độ rất thấp thì hệ này tích tụ lại (hay ngưng tụ) trong trạng thái lượng tử thấp nhất có thể và tạo lên trạng thái mới của vật chất

Cho đến nay, ừên khắp thế giới có tổng cộng 13 nguyên tố đã được làm cho ngưng tụ Mười ừong số những ngưng tụ này đã được tạo ra bởi mười nhóm nghiên cứu quốc tế khác nhau [2]

Năm 1938, Fritz London đề xuất trạng thái BEC như là một cơ chế giải

thích cho tính siêu chảy của 4He cũng như tính siêu dẫn ở nhiệt độ thấp của

khí nguyên tử Rubidi đến nhiệt độ 170 nanokelvin (nk) Cũng trong thời gian này, Wolfgang Ketterle ở Học viện Công nghệ Massachusetts tạo ra được ngưng tụ Bose - Einstein đối với nguyên tử Natri và duy trì được hệ 2000 nguyên tử này trong thời gian lâu cho phép nghiên cứu những tính chất của

hệ Vì vậy mà Cornell, Wieman, Ketterle được nhận giải Nobel Vật lý năm

2001

Các hạt trong Vật lý được chia ra làm hai lớp cơ bản: lớp các boson và lớp các fermion Boson là những hạt vói “spin nguyên” (0, 1,2, ), fermion là các hạt với “spin bán nguyên” (1/2, 3/2, ) Các hạt boson tuân theo thống kê Bose - Einstein, còn các hạt fermion tuân theo thống kê Fermi - Dirac Ngoài

ra các hạt fermion còn tuân theo nguyên lí ngoại trừ Pauli, “hai hạt fermion không thể cùng tồn tại ừên một trạng thái lượng tử”

Ở nhiệt độ phòng khí boson và khí fermi đều phản ứng rất giống nhau, giống hạt cổ điển tuân thủ theo gần đứng thống kê Maxwell - Boltzman (bởi

cả thống kê Bose - Einstein và thống kê Fermi - Dirac đều tiệm cận đến thống kê Maxwell - Boltzman) Có thể khẳng định rằng ở nhiệt độ thấp khí bose có tính chất khác hẳn khí fermi (chẳng hạn như khí điện tử tự do ừong kim loại) Thật vậy, vì các hạt boson không chịu sự chi phối của nguyên lý cấm Pauli nên ở nhiệt độ không tuyệt đối tất cả các hạt đều có năng lượng

£ = 0, do đó trạng thái cơ bản của tất cả chất khí là trạng thái có E — 0 Còn đối với khí fermi thì khác, ở nhiệt độ T = 0°K các hạt lần lượt chiếm các

trạng thái có năng lượng từ 0 đến mức fermi, do đó năng lượng của cả hệ khác

không (E Ỷ 0).

Việc áp dụng thống kê Bose - Einstein vào hệ hạt có spin nguyên hay spin bằng không (ví dụ như các photon, các mezon, các nguyên tử ừong đó các elecừon và nucleon là chẵn, ) được gọi là các hạt boson hay khí bose

Hình 1.1: Trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein của các boson, trong trường hợp này là các nguyên tử Rubidi Hình vẽ là phân bố tốc độ chuyển động của các nguyên tử theo từng vị trí Màu đỏ chỉ nguyên tử chuyển động nhanh, màu xanh và trắng chỉ nguyên tử chuyển động chậm Bên trái là trước khi xuất hiện ngưng tụ Bose - Einstein Ở giữa là ngay sau khi ngưng tụ Bên phải là trạng thái ngưng tụ xuất hiện rõ hơn Ở trạng thái ngưng tụ, rất nhiều nguyên tử có cùng vận tốc và vị trí (cùng trạng thái lượng tử) nằm ở đỉnh màu trắng.

(Ảnh: Wikipedia)Ngưng tụ Bose - Einstein theo quan điểm vĩ mô là tập hợp các hạt có spin nguyên (các boson) trong trạng thái cơ bản tại nhiệt độ thấp và mật độ cao, đã được quan sát ừong một vài hệ Vật lý Bao gồm khí nguyên tử lạnh và vật lý chất rắn chuẩn hạt Tuy nhiên, đối với khí bose là phổ biến nhất Bức xạ của vật đen (bức xạ ừong trạng thái cân bằng nhiệt ừong một hố thế) không diễn ra sự chuyển pha, bởi vì thế hóa của các photon bị triệt tiêu và khi nhiệt

độ giảm, các photon không xuất hiện ừong hố thế Các nghiên cứu về mặt lý thuyết đã coi số photon bảo toàn trong các quá trình nhiệt, tiếp theo sử dụng tán xạ Compton cho khí điện tử, hoặc tán xạ photon - photon trong mô hình cộng hưởng phi tuyến để tìm điều kiện tạo thành ngưng tụ Bose - Einstein Trong một số thí nghiệm gần đây, người ta đã tiến hành nghiên cứu với khí photon hai chiều ừong trạng thái lấp đầy của các vi hốc Ở đây, người ta đã

mô tả lại ngưng tụ Bose - Einstein cho các photon Dạng của vi hốc quyết định cả thế giam cầm và sự không ảnh hưởng bỏi khối lượng các photon, làm cho hệ tương đương vói một hệ khí hai chiều Khi tăng mật độ của photon, ta thấy dấu hiệu của ngưng tụ Bose - Einstein, năng lượng photon phân bố chủ yếu ở trạng thái cơ bản, chuyển pha xuất hiện phụ thuộc vào cả giá trị khả dĩ

và dạng hình học của hốc thế được dự đoán từ trước

1.3 Thực nghiệm về ngưng tụ Bose - Einstein

1.3.1 Ngưng tụ Bose - Einstein đầu tiên của nguyên tổ erbium

Các chất khí lượng tử siêu lạnh có những tính chất đặc biệt mang lại một

hệ lí tưởng để nghiên cứu những hiện tượng Vật lý cơ bản Với việc chọn Erbium, đội nghiên cứu đứng đầu là Francesca Ferlaino thuộc Viện Vật lý Thực Nghiệm, Đại học Innsbruck, đã chọn một nguyên tố rất lạ, đó là vì những tính chất đặc biệt của nó mang lại những khả năng mới và hấp dẫn để nghiên cứu những những câu hỏi cơ bản ừong lĩnh vực Vật lý lượng tử

“Erbium tương đối nặng và có từ tính mạnh Những tính chất này dẫn tới một trạng thái lưỡng cực cực độ của các hệ lượng tử”, Ferlaino cho biết

Cùng vói nhóm nghiên cứu của mình, bà đã tìm ra một phương pháp đơn giản đến bất ngờ để làm lạnh nguyên tố phức tạp này bằng phương tiện laser

và kĩ thuật làm lạnh bay hơi Ở những nhiệt độ gần độ không tuyệt đối, một đám mây gồm khoảng 70.000 nguyên tử erbium tạo ra một ngưng tụ Bose - Einstein từ tính Trong một ngưng tụ, các hạt mất đi tính chất cá lẻ của chứng

và đồng bộ hóa thành trạng thái của chứng “Những thí nghiệm với Erbium cho phép chứng tôi thu được kiến thức sâu sắc mới về những quá trình tương tác phức tạp của những hệ tương quan mạnh và, đặc biệt, chứng mang lại những điểm xuất phát mới để nghiên cứu từ tính lượng tử với những nguyên

tử lạnh”, Ferancesca Ferlaino nói

Cesium, Strontium và Erbium là ba nguyên tố hóa học mà các nhà Vật lý

ở Innsbruck đã cho ngưng tụ thành công ừong vài năm ừở lại đây Một đột phá quan ừọng đã được thực hiện bỏi Rudolf Grimm và nhóm nghiên cứu của ông hồi năm 2002 khi họ thu được sự ngưng tụ của Sesium, dẫn tói vô số những kết quả khoa học ừong những năm sau đó Một ngưòi nhận tài ừợ START khác, Florian Schreck, một thành viên thuộc nhóm nghiên cứu của Rudolf Grimm, là người đầu tiên hiện thực hóa một ngưng tụ của Strontium hồi năm 2009 Và nay Francesca Ferlaino lập tiếp kì công này với nguyên tố Erbium

Cho đến nay, ừên khắp thế giới có tổng cộng 13 nguyên tố đã được làm cho ngưng tụ Mười ừong số những ngưng tụ này đã được tạo ra bởi mười nhóm nghiên cứu quốc tế khác nhau Vào năm 2001, Eric Cornell, Wolfgang Ketterle và Carl Wieman đã giành giải Nobel Vật lý cho việc tạo ra ngưng tụ Bose - Einstein đầu tiên Ngưng tụ mới của Erbium, lần đầu tiên được tạo ra

ở Innsbruck, là một mẫu tuyệt vòi để bắt chước những hiệu ứng phát sinh từ

sự tương tác tầm xa Loại tương tác này là cơ sở của cơ chế động lực học phức tạp có trong tự nhiên, ví dụ như xảy ra ừong các xoáy địa Vật lý, trong các chất lỏng sắt từ hay trong protein khi gấp nếp

1.3.2 Loại ánh sáng mới tạo đột phá về vật lý

Các nhà khoa học Đức đã tạo ra bước đột phá ừong lĩnh vực Vật lý khi cho ra đời một loại ánh sáng mới bằng cách làm lạnh các phân tử photon sang trạng thái đốm màu

Cũng giống như các chất rắn, lỏng và khí, khám phá mới thể hiện một trạng thái của vật chất Với tên gọi “trạng thái ngưng tụ Bose - Einstein”, nó từng được tạo ra vào năm 1995 thông qua các nguyên tử siêu lạnh của một chất khí, nhưng các nhà khoa học từng nghĩ không thể tạo ra nó bằng các hạt photon (quang tử) - những đơn vị cơ bản của ánh sáng

Hình 1.2: Một “siêu phonon” được tạo ra khi các hạt photon bị làm lạnh tới một trạng thái yật chất được gọi tên là “ trạng thái ngưng tụ Bose - Einstein

là các hạt không cổ khối lượng nên chúng đơn giản có thể bị hấp thụ vào môi trường xung quanh và biến mất - điều thường xảy ra khi chúng bị làm lạnh Theo trang LiveScience, bốn nhà Vật lý Đức cuối cùng đã tìm được cách

làm lạnh các hạt photon mà không làm giảm số lượng của chúng Để nhốt giữ các photon, những nhà nghiên cứu này đã sáng chế ra một thừng chứa làm bằng những tấm gương đặt vô cùng sát nhau và chỉ cách nhau khoảng một phần triệu của một mét (1 micrô) Giữa các gương, nhóm nghiên cứu đặt các phân tử “thuốc rthuộm” (về cơ bản chỉ có một lượng nhỏ chất nhuộm màu).

Khi các photon va chạm với những phân tử này, chúng bị hấp thu và sau đó được tái phát.

Các tấm gương đã “/ốm” các photon bằng cách giữ cho chúng nhảy tiến

- lui trong một trạng thái bị giói hạn Trong quá trình đó, các hạt quang tử trao đổi nhiệt lượng mỗi khi chứng va chạm với một phân tử thuốc nhuộm Và cuối cùng, chứng bị làm lạnh tói nhiệt độ phòng

Mặc dù mức nhiệt độ phòng không thể đạt độ không tuyệt đối nhưng nó

đã đủ lạnh để các photon kết lại thành một trạng thái ngưng tụ Bose - Einstein

Trong bài viết mới đây ừên tạp chí Nature, nhà Vật lý James Anglin

thuộc trường Đại học Kỹ thuật Kaiserslautern (Đức) đánh giá thử nghiệm trên

là “một thành tựu mang tỉnh bước ngoặt” Các tác giả của nghiên cứu này cho

biết thêm rằng, công trình của họ có thể gúp mang tới những ứng dụng trong việc chế tạo các loại laser mới, với khả năng sinh ra ánh sáng có bước sóng vô cùng ngắn ừong các dải tia X hoặc tia cực tím

1.3.3 Các nhà Vật lý khẳng định sự tồn tại của trạng thái ngưng tụ• •/ o « • « « o o o •polartion

Các nhà Vật lý Mỹ nói rằng họ chứng kiến một sự kết hợp độc đáo của một trạng thái ngưng tụ Bose - Einstein ừong một hệ các giả hạt được làm lạnh được gọi là polarition Mặc dù những khẳng định tương tự đã từng được công bố trước đó, nhưng các nhà nghiên cứu khác ừong lĩnh vực này vẫn hoài nghi rằng sự kết hợp này là một hiệu ứng của chùm laser được dùng để tạo ra các polariton, có nghĩa là hệ không chắc chắn là ngưng tụ Thí nghiệm mới này đã hoàn toàn loại bỏ những nghi ngờ bằng cách tích lũy polartion từ các chùm

Lần đầu tiên được tạo ra vào năm 1995 từ hơi nguyên tử Rubidi, trạng thái ngưng tụ Bose - Einstein (BEC) là một hệ mà trong đó một số lượng lớn

các hạt boson (các hạt có spin nguyên) chồng chập trong một trạng thái cơ bản giống nhau Điều này cho phép các boson biểu hiện các thuộc tính cổ điển ngẫu nhiên của chứng và dịch chuyển như một trạng thái kết hợp, và rất có ý nghĩa cho các nghiên cứu về hiệu ứng lượng tử ví dụ như siêu chảy ừong một

hệ vĩ mô Điều ừở ngại ở đây là sự thay đổi trạng thái thường chỉ xảy ra ở nhiệt độ rất thấp, gần không độ tuyệt đối

Tuy nhiên, các polariton - các boson bao gồm một cặp điện tử - lỗ trống

và một photon lại nhẹ hơn hàng ngàn lần so với nguyên tử rubidi, do đó có thể tạo ra trạng thái BEC ở tại nhiệt độ cao hơn nhiều Khẳng định đầu tiên về sự

ngưng tụ này được công bố vào năm 2006 khi mà Jacek Kasprzak (Đại học

Tổng hợp Joseph Fourier Grenoble, Pháp) cùng vói các đồng nghiệp Thụy

Sĩ và Anh sử dụng một chùm laser tăng một cách đều đặn mật độ của các polariton trong một vi cầu chất bán dẫn được giữ ở nhiệt độ khá cao là 19K

Họ quan sát thấy ở ừên một mật độ tói hạn, các polarition bắt đầu biểu hiện thuộc tính kết hợp của trạng thái BEC Một số nhà nghiên cứu khác ừong lĩnh vực này lại nghi ngờ rằng các polariton dù ở trạng thái BEC thật, nhưng bỏi vì thuộc tính này chỉ có thể quan sát thấy ừong một vùng được kích thích bởi chùm laser mà vốn tự nó đã kết hợp được rồi

Và để giải quyết rắc rối này, nhóm của David Snoke ở Đại học Tổng hợp Pittsburgh và các cộng sự ở Phòng thí nghiệm Bell (Mỹ) tạo ra một hệ tương

tự mà trong đó các polartion được tạo ra bởi các tia laser sau đó di chuyển khỏi vùng kích thích của laser Điều này được thực hiện nhờ một ghim nhỏ chiều ngang 50 micrô, để tạo ra một ứng suất bất đồng nhất ừên vi cầu, có nghĩa là tạo ra như một bẫy để tích lũy các polartion Và ở hệ này, trạng thái BEC vẫn chỉ đạt được ở nhiệt độ thấp tới 4,2 K

Mặc dù ở nhiệt độ này thấp hơn nhiều so vái nhiệt độ 19 K mà nhóm cùa

Kasprzak đã công bố, nhưng Snoke đã nói trên Physics Web rằng sau khi xuất

bản công trình này, nhóm đã tạo ra hiện tượng này ở nhiệt độ cao tái 32 K:

hơn, cao hơn nữa dù không thể giả thiết cỏ thể đạt tới nhiệt độ phồng

nhưng trên 100K không phải là không thể đạt được trong khả năng của chủng

tôi"

Hơn nữa, các vi cầu (hay vi hốc - microcavity) được tạo ra bởi vật liệu bán dẫn phổ thông GaAs trong hệ bẫy tương tự từng được dùng trong các khí nguyên tử mà có thể dễ dàng chế tạo cho các nhóm nghiên cứu khác.