Sức căng tại mặt phân cách của ngưng tụ BOSE EINSTEIN hai thành phần bị giới hạn bởi hai tường cứng với điều kiện biên robin (2018)

Lý do chọn đề tài Vào đầu thế kỉ XVII, các môn khoa học tự nhiên nổi lên như các ngành nghiên cứu riêng độc lập với nhau, vật lý học giao nhau với nhiều lĩnh vực nghiên cứu, các phát h

-

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2

KHOA VẬT LÝ

VĂN THÚY HÀ

SỨC CĂNG TẠI MẶT PHÂN CÁCH CỦA NGƯNG TỤ

BOSE –EINSTEIN HAI THÀNH PHẦN BỊ GIỚI HẠN

BỞI HAI TƯỜNG CỨNG VỚI ĐIỀU KIỆN BIÊN ROBIN

Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

HÀ NỘI, 2018

Chuyên ngành: Vật lý lý thuyết KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học: Th.S Hoàng Văn Quyết

HÀ NỘI, 2018

LỜI CẢM ƠN

Trước khi trình bày nội dung chính của khóa luận, tôi xin bày tỏ lòng

biết ơn sâu sắc tới ThS Hoàng Văn Quyết người đã định hướng chọn đề tài

và tận tình hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành khóa luận này Tôi cũng xin

bày tỏ lòng biết ơn, 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 trong

suốt quá trình học tập và làm khóa luận Cuối cùng, tôi xin được gửi lời 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 khóa luận này

Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2018

Sinh viên

Văn Thúy Hà

LỜI CAM ĐOAN

Dưới sự hướng dẫn của ThS Hoàng Văn Quyết khóa luận tốt nghiệp chuyên ngành Vật lý lý thuyết với đề tài “ Sức căng tại mặt phân cách của ngưng tụ BOSE - EINSTEIN hai thành phần bị giới hạn bởi hai tường cứng với điều kiện biên Robin” được hoàn thành bởi chính sự nhận thức của bản thân, không trùng với bất cứ khóa luận nào khác

Trong khi nghiên cứu khóa luận, tôi đã kế thừa những thành tựu của các nhà khoa học với sự trân trọng và biết ơn

Hà Nội, ngày 10 tháng 05 năm 2018

Sinh viên

Văn Thúy Hà

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Nhiệm vụ nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Đóng góp của đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀ NGƯNG TỤ BOSE-EINSTEIN 4

1.1 Hệ hạt đồng nhất 4

1.2 Thống kê Bose – Einstein 5

1.3 Tình hình nghiên cứu về ngưng tụ Bose – Einstein 15

1.4 Thực nghiệm về ngưng tụ Bose - Einstein 18

1.4.1 Ngưng tụ Bose – Einstein đầu tiên của nguyên tố erbium 18

1.4.2 Loại ánh sáng mới tạo đột phá về vật lý 20

1.4.3 Kỹ thuật lưu trữ và khôi phục ánh sáng 22

1.4.4 Các nhà Vật lý khẳng định sự tồn tại của trạng thái ngưng tụ polartion 24

1.4.5 Chất siêu dẫn mới 27

1.4.6 Lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng Hall ở một ngưng tụ Bose -Einstein 28

CHƯƠNG 2 TRẠNG THÁI CƠ BẢN CỦA NGƯNG TỤ BOSE-EINSTEIN HAI THÀNH PHẦN PHÂN TÁCH YẾU 31

2.1 Phương trình Gross-Pitaevskii 31

2.1.1 Phương trình Gross-Pitaevskii phụ thuộc thời gian 31

2.1.2 Phương trình Gross-Pitaevskii không phụ thuộc vào thời gian 32

2.2 Gần đúng parabol kép (Double parabola approximation - DPA) 35 2.3 Trạng thái cơ bản trong gần đúng parabol kép 37

CHƯƠNG 3 SỨC CĂNG MẶT NGOÀI CỦA NGƯNG TỤ

BOSE-EINSTEIN HAI THÀNH PHẦN BỊ GIỚI HẠN BỞI HAI TƯỜNG CỨNG TRONG GẦN ĐÚNG PARABOL KÉP 42 3.1 Khái niệm về sức căng mặt ngoài 42 3.2 Suất căng mặt ngoài của ngưng tụ Bose-Einstenin hai thành phần bị giới hạn bởi hai tường cứng 46 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Vào đầu thế kỉ XVII, các môn khoa học tự nhiên nổi lên như các ngành nghiên cứu riêng độc lập với nhau, vật lý học giao nhau với nhiều lĩnh vực nghiên cứu, các phát hiện mới trong vật lý thường giải thích những cơ chế cơ bản của các môn khoa học khác đồng thời mở ra những hướng nghiên cứu mới trong đó có trạng thái ngưng tụ Bose - Einstein (BEC) Xuất phát từ ý tưởng của nhà lý thuyết Ấn Độ Satyendra Nath Bose về một phân bố lượng

tử cho các photon được đưa ra năm 1924 để giải thích phổ phát xạ và hấp thụ của vật đen tuyệt đối Năm 1925 nhà vật lí người Đức Albert Einstein đưa ra

dự đoán về BEC cho các nguyên tử với spin toàn phần có giá trị nguyên đó là: khi làm lạnh các nguyên tử, bước sóng của chúng tăng lên đến mức có thể so sánh với kích thước không gian giữa các nguyên tử, các bó sóng nguyên tử sẽ chồng chất lên nhau, các nguyên tử mất nhận dạng các nhân, tạo nên một trạng thái lượng tử vĩ mô hay nói cách khác một siêu nguyên tử tức là một BEC BEC được đề xuất như một cơ chế chính để giải thích các hiện tượng lượng tử vĩ mô như siêu chảy và siêu dẫn Mãi tới năm 1980 kỹ thuật laser phát triển đủ để làm siêu lạnh các nguyên tử đến nhiệt độ rất thấp thì BEC mới thực hiện được và đến năm 1995 mới quan sát được bằng thực nghiệm, một loạt tính chất quan trọng chưa từng biết đến trước đây đã được phát hiện Trạng thái vật chất này hoàn toàn mới trong đó các hạt bị giam chung trong trạng thái ở năng lượng thấp nhất, không giống với trạng thái vật chất nào mà con người được biết BEC được tạo thành thuần túy từ hiệu ứng lượng tử dựa trên thống kê Bose - Einstein vì thế nó được coi là vật chất lượng tử với các tính chất rất đặc biệt: là 1 chất lỏng lượng tử với tính kết hợp rất cao như các tia laser Từ các tính chất cơ bản của BEC người ta có thể suy ra nhiều loại

linh kiện thiết bị tinh vi, chế tạo các chíp nguyên tử, thực hiện các chức năng

đa dạng trong giao thoa kế, máy kĩ thuật toàn ảnh, kính hiển vi đầu dò xét và

xử lí thông tin lượng tử Đây là lĩnh vực khoa học hay và có hướng phát triển

mạnh mẽ, chúng ta có thể quan sát được nhiều hiệu ứng vật lý mà các dạng

vật chất khác không có, nó mang ý nghĩa quan trọng trong ngành vật lý

Nhận thức được việc tìm hiểu về BEC đối với sinh viên là điều cần thiết,

mặt khác muốn tổng hợp kiến thức từ nhiều tài liệu khác nhau nhằm tích lũy

kiến thức cho bản thân Do điều kiện về thời gian, kinh phí và kiến thức còn

hạn hẹp nên đối với sinh viên chỉ có thể tìm hiểu một khía cạnh nhỏ của BEC

vì vậy em chọn và nghiên cứu đề tài “ Sức căng tại mặt phân cách của

ngưng tụ BOSE - EINSTEIN hai thành phần bị giới hạn bởi hai tường

cứng với điều kiện biên Robin”

2 Mục đích nghiên cứu

Trên cơ sở lý thuyết về ngưng tụ Bose - Einstein nghiên cứu sức căng tại

mặt phân cách của ngưng tụ Bose - Einstein hai thành phần bị giới hạn bởi

hai tường cứng với điều kiện biên robin

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng: các tính chất ở bề mặt tiếp giáp, tính nhiệt động, tính thống kê của hệ BEC hai thành phần

Phạm vi: chỉ nghiên cứu trường hợp hai chất lỏng không trộn lẫn nhau

4 Nhiệm vụ nghiên cứu

Trình bày tổng quan được các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về

BEC

Trình bày hệ phương trình Gross – Pitaevskii

Trình bày về phương pháp gần đúng Parabol kép

Áp dụng phương pháp gần đúng Parabol kép để nghiên cứu sức căng tại mặt phân cách của ngưng tụ Bose - Einstein hai thành phần bị giới hạn bởi hai tường cứng

5 Phương pháp nghiên cứu

Đọc sách và tra cứu tài liệụ

Đàm thoại và trao đổi với giảng viên

Trong khuôn khổ lý thuyết Gross - Pitaevskii áp dụng phương pháp gần đúng Parabol kép

6 Đóng góp của đề tài

Làm tài liệu tham khảo cho sinh viên

ˆ ˆ( , , , ) W,ˆ

2

N i

Phương trình Schrodinger cho trạng thái của hệ có dạng

Tính không phân biệt được các hạt đồng nhất theo các trạng thái trong cơ học lượng tử dẫn tới nguyên lý về tính đồng nhất: Trong hệ các hạt đồng nhất chỉ tồn tại những trạng thái không thay đổi khi đổi chỗ các hạt đồng nhất cho nhau

Dựa vào tính chất nội tại của các hạt người ta chia hệ hạt đồng nhất thành hai nhóm cụ thể là:

+ Hệ fermion: hệ này bao gồm các hạt fermion, đó là các hạt có spin bán

nguyên 1 3, ,

2 2

 ; ví dụ như electron, các nucleon,… Hệ này bị chi phối bởi

nguyên lý loại trừ Pauli: “Hai fermion cùng loại không bao giờ được tìm thấy

ở tại cùng một vị trí” Nguyên lý này được rút ra từ tính phản đối xứng của hàm sóng trên các fermion

+ Hệ boson: hệ này bao gồm các hạt boson, đó là các hạt có spin nguyên; ví

dụ như photon,  - meson, K - meson… Hệ này không bị chi phối bởi nguyên

lý loại trừ Pauli, các boson có thể tìm thấy ở cùng một vị trí

Do hệ boson tuân theo thống kê Bose – Einstein nên người ta đã áp dụng thống kê Bose – Einstein tìm được tính chất điển hình của boson là ngưng tụ Bose – Einstein trong đó nhiều hạt giống nhau đóng vai trò như nhau như một hạt, điều mà các fermion nằm tại các vị trí khác nhau không làm được

1.2 Thống kê Bose – Einstein

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

trong đó g k là độ suy biến

Nếu hệ gồm các hạt không tương tác thì ta có

Phân bố chính tắc lớn lượng tử có dạng

0 1

0

1( , ) exp

N xuất hiện trong công thức (1.5) là vì có kể đến tính

đồng nhất của các hạt và tính không phân biệt của các trạng thái mà ta thu được do hoán vị các hạt

Ta kí hiệu

0 1( , , ).

Từ đây ta có hai nhận xét về công thức (1.7) nhƣ sau:

Một là vế phải của (1.7) có thể coi là hàm của các n lnên ta có thể đoán

nhận công thức đó nhƣ là xác suất để cho có n0 hạt nằm trên mức 0,n l hạt

nằm trên mức l, đó là xác suất chứa đầy Do đó nhờ công thức này ta có thể

tìm đƣợc số hạt trung bình nằm trên các mức năng lƣợng

Hai là đại lƣợng G n n( , , )0 1 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 đƣợc mô tả bằng hàm sóng đối xứng và phản đối xứng, thì

các phép hoán vị đều không đƣa 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 lƣợng tử Do đó đối với các hạt boson và hạt fermion

ta có

0 1

0 1

1( , , )

0 1

!,

! !

k

N g

n n

thay giá trị của g k vào (1.6) ta thu đƣợc (1.9) Để tính trị trung bình của các

số chứa đầy (số hạt trung bình nằm trên mức năng lƣợng khác nhau) ta gắn cho đại lƣợng  trong công thức (1.7) chỉ số l , tức là ta sẽ coi hệ ta xét hình

nhƣ không phải chỉ có một thế hóa học  mà ta có cả một tập hợp thế hóa họcl Và cuối phép tính ta cho l 

Tiến hành phép thay thế nhƣ trên ta có thể viết điều kiện chuẩn hóa nhƣ sau

0 1

0 1 W( , , ) exp 1,

nghĩa là   ln Z (1.13) Khi đó đạo hàm của  theo l dựa vào (1.12) và (1.13)

n Z

Tìm dN( )

Theo quan điểm lƣợng tử, các hạt Boson chứa trong thể tích V có thể xem nhƣ các sóng dừng De Broglie Vì vậy có thể xác định dN( ) bằng cách áp dụng công thức

2 2

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 s của hạt g2s1 Do đó, số các mức năng lượng trong khoảng    dlà

0 0

0

0

11

kT kT

kT

kT

d d

N

T T

e

N T

Nhưng do (1.26) nên  0, do đó biểu thức dưới dấu tích phân ở vế

phải (1.28) luôn luôn dương với mọi giá trị của  , vì vậy 0

Mà ta biết

0

2.31,1

x

x dx e

(2 )

.(2.31 )

N T

rất quan trọng Để hiểu ý nghĩa của nó ta xét khoảng nhiệt độ0 T T0. Khi giảm nhiệt độ xuống tới T0thì thế hóa học  tăng tới giá trị max 0, mà

e e

được phân bố trên các mức khác theo định luật /1

1.3 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 -

2730C) 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 trở 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 trên 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 trong khuôn khổ lý thuyết thống

kê Bose – Einstein, miêu tả phân bố thống kê của những hạt đồng nhất với 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, trên khắp thế giới có tổng cộng 13 nguyên tố đã được làm cho ngưng tụ Mười trong số những ngưng tụ này đã được tạo ra bởi mười nhóm nghiên cứu quốc tế khác nhau

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 một số vật liệu

Năm 1995, khí ngưng tụ đầu tiên đã được tạo ra bởi nhóm của Eric Cornell và Carl Wieman ở phòng thí nghiệm JILA thuộc Viện Công nghệ Tiêu chuẩn Quốc gia (NIST) tại Đại học Colorada ở Boulder, khi họ làm lạnh 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 với “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 trên 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 đúng 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 boson có tính chất khác hẳn khí fermi (chẳng hạn như khí điện tử tự do trong

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 lƣợng

0

  , do đó trạng thái cơ bản của tất cả chất khí là trạng thái cóE0 Còn đối với khí fermion thì khác, ở nhiệt độ T 0Kcác hạt lần lƣợt chiếm các trạng thái có năng lƣợng từ 0 đến mức fermion, do đó năng lƣợng của cả hệ khác không  E  0 

Việc áp dụng thống kê Bose – Einstein vào hệ hạt có spin nguyên hay spin bằng không (ví dụ nhƣ các photon, các mezon, các nguyên tử trong đó các electron và nucleon là chẵn, …) đƣợc gọi là các hạt boson hay khí boson

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 trong một vài hệ Vật lý Bao gồm khí nguyên tử lạnh và vật lý chất rắn chuẩn hạt Tuy nhiên, đối với khí boson là phổ biến nhất Bức xạ của vật đen (bức xạ trong trạng thái cân bằng nhiệt trong 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 trong 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 trong 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 bởi khối lượng các photon, làm cho hệ tương đương với 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

1.4 Thực nghiệm về ngưng tụ Bose - Einstein

1.4.1 Ngưng tụ Bose – Einstein đầu tiên của nguyên tố 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 trong 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 với 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 chúng

và đồng bộ hóa thành trạng thái của chúng “Những thí nghiệm với Erbium cho phép chúng 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 chúng 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 trong vài năm trở lại đây Một đột phá quan trọng đã được thực hiện bởi Rudolf Grimm và nhóm nghiên cứu của ông hồi năm 2002 khi họ thu được sự ngưng tụ của Sesium, dẫn tới vô số những kết quả khoa học trong những năm sau đó Một người nhận tài trợ 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, trên khắp thế giới có tổng cộng 13 nguyên tố đã được làm cho ngưng tụ Mười trong 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 vời 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 trong các xoáy địa Vật lý, trong các chất lỏng sắt từ hay trong protein khi gấp nếp

1.4.2 Loại ánh sáng mới tạo đột phá về vật lý

Các nhà khoa học Đức đã tạo ra bước đột phá trong 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 photton" được tạo ra khi các hạt photon bị làm lạnh tới một trạng thái vật chất được gọi tên là "trạng thái ngưng tụ Bose- Einstein"

(Ảnh: LiveScience)

Tuy nhiên, bốn nhà Vật lý Jan Klars, Julian Schmitt, Frank Vewinger và Martin Weitz thuộc Đại học Bonn ở Đức mới đây thông báo đã hoàn thành

“nhiệm vụ bất khả thi” trên Họ đặt tên cho các hạt mới là “các siêu photon” Các hạt trong một trạng thái ngưng tụ Bose – Einstein truyền thống được làm lạnh tới độ không tuyệt đối, cho tới khi chúng hòa vào nhau và trở nên không thể phân biệt được, tạo thành một hạt khổng lồ Các chuyên gia từng cho rằng, các photon sẽ không thể đạt được trạng thái này vì việc vừa làm lạnh ánh sáng vừa ngưng tụ nó cùng lúc dường như là bất khả thi Do photon

là các hạt không có 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 thùng 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 nhuộm” (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 “tóm” các photon bằng cách giữ cho chúng nhảy tiến –

lùi trong một trạng thái bị giới hạn Trong quá trình đó, các hạt quang tử trao đổi nhiệt lượng mỗi khi chúng va chạm với một phân tử thuốc nhuộm Và cuối cùng, chúng bị làm lạnh tới 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 trên 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 tính bước ngoặt” Các tác giả của nghiên cứu này cho

biết thêm rằng, công trình của họ có thể giúp 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 trong các dải tia X hoặc tia cực tím

1.4.3 Kỹ thuật lưu trữ và khôi phục ánh sáng

Các nhà vật lý Mỹ giờ đây đã có thể ghi một xung ánh sáng đồng bộ vào một tập hợp các nguyên tử siêu lạnh - và sau đó khôi phục lại nguyên dạng xung sáng đó từ một tập hợp các nguyên tử thứ hai ở cách đó một khoảng cách nào đó

Thí nghiệm đã chứng tỏ rằng các hạt vĩ mô là khó có thể phân biệt một cách rạch ròi như cơ học lượng tử đã nói mặc dù chúng có thể tách biệt về mặt vật lý Thí nghiệm được tiến hành bằng cách sử dụng các nguyên tử ngưng tụ Bose Einstein được làm lạnh tới nhiệt độ mà tất cả chúng ở cùng

một trạng thái lượng tử (Theo bài báo đăng trên tạp chí Nature)

Để bắt ánh sáng "nhảy" từ chỗ này sang chỗ khác, Lene Hau và các đồng

nghiệp ở Đại học Harvard đã khai thác một kỹ thuật được họ phát triển từ năm 2001 để giữ các xung ánh sáng trong trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein,

có thể làm cho ánh sáng laser đi chậm đến mức gần như đứng lại Kỹ thuật này bao gồm việc chiếu một xung từ một đầu phát laser vào các nguyên tử Na

ở trạng thái BEC, làm cảm ứng đến việc phân bố các dao động nhỏ của điện tích trong nguyên tử

Nhà vật lý Lene Vestergaard Hau sử dụng những tia laser và các đám mây cực nhỏ để che nguyên tử siêu lạnh làm cho ánh sáng đi chậm đến mức gần