Các nhà nghiên cứu tại Trung tâm MIT-Harvard về các nguyên tử cực nhỏ và phòng thí nghiệm nghiên cứu về điện tử đã đề xuất một phương pháp mới cho kỹ thuật sản xuất ngưng tự Bose-Einstein 3-D sử dụng phương pháp làm mát bằng laser. Nghiên cứu này của nhóm nghiên cứu, được mô tả trong Physical Review Letters, đã chứng minh tính hiệu quả của kỹ thuật sản xuất ngưng tụ Bose-Einstein.

Đối với nghiên cứu vật lý trong quá khứ, ngưng tụ Bose-Einstein (BEC) bằng làm mát laser trực tiếp là mục tiêu theo đuổi của nhiều nhà nghiên cứu tuy nhiên nhưng rất khó nắm bắt được mục tiêu này. Nỗ lực đầu tiên là của Steven Chu, người đã giành giải thưởng Nobel và khoảng năm 1995 bởi Mark Kasevich, người không thành công vào thời điểm đó. Các nhóm khác dẫn đầu bởi Carl Wieman và Eric Cornell, và bởi Wolfgang Ketterle, đều được giải thưởng Nobel cho công trình nghiên cứu BEC. Họ đã thành công trong việc đạt được BEC bằng cách sử dụng làm mát bay hơi thay thế. Cuối cùng, hầu hết các nhà nghiên cứu đã từ bỏ việc cố gắng sản xuất BEC chỉ bằng cách làm mát bằng laser, cho đến khi có được nghiên cứu mới mang tính đột phá này.

“Một vài năm trước, tôi đã có ý tưởng làm thế nào để giảm thiểu các trở ngại chính trong việc làm mát các nguyên tử bằng laser, phát triển các phân tử cảm ứng ánh sáng từ các nguyên tử, bằng cách sử dụng tần số laser cụ thể”, Vladan Vuletić, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu, nói với Phys.org. “So với cách làm mát thông qua bay hơi, làm mát bằng laser có tiềm năng hơn, nhanh hơn, và hiệu quả hơn, giảm các hạn chế đối với thiết lập thử nghiệm”.

Kỹ thuật làm mát các nguyên tử bằng laser phải điều chỉnh laser rất cẩn thận và điều chỉnh chúng để làm chậm chuyển động của các nguyên tử khi va chạm với các photon. Kỹ thuật này thông thường được sử dụng để tạo ra các đám mây nguyên tử lạnh, tuy nhiên việc sử dụng nó để tạo ra các mẫu nguyên tử lạnh có mật độ đủ cao cho BEC cho đến nay vẫn là một thách thức. Lý do chính là ánh sáng laser có thể quang hợp các nguyên tử lân cận thành các phân tử sau đó các phân tử này sẽ rời khỏi các bẫy nguyên tử.

Vuletić giải thích rằng họ có thể giảm đáng kể hao hụt nguyên tử khi chọn năng lượng của bơm laser không phù hợp với mức lượng năng lượng cần thiết để hình thành lên các phân tử. Kết hợp với chuỗi làm mát Raman đã được tối ưu hóa cẩn thận (được mô tả lần đầu tiên bởi Chu và Kasevich) đã cho phép họ tạo ra một đám mây nguyên tử lạnh với mật độ đủ cao để tạo ra BEC có kích thước vừa phải trong khoảng một giây làm mát.

Trong nghiên cứu của họ, Vuletić và các đồng nghiệp đã nhốt các nguyên tử vào bẫy lưỡng cực quang chéo và làm mát chúng bằng cách làm mát Raman, với nguồn ánh sáng bơm quang học cộng hưởng xa để giảm hao hụt nguyên tử và tăng nhiệt. Kỹ thuật này cho phép họ đạt được mức nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ giật lại (recoil temperature) hiệu quả (thang đo nhiệt độ liên quan đến động lượng giật của photon), trên thang thời gian là nhanh hơn 10 đến 50 lần so với thang thời gian bay hơi thông thường.

Phương pháp làm mát bằng laser này sẽ được áp dụng cho các loại nguyên tử khác, cũng như làm mát các phân tử trong tương lai. Phương pháp này cho phép thực hiện các thí nghiệm nghiên cứu mới liên quan đến các loại khí lượng tử khó thực hiện trước đây.

Phương pháp mới có nhiều ý nghĩa đối với nghiên cứu vật lý trong tương lai. Ví dụ, nó có thể cho phép sản xuất nhanh các khí thoái hóa lượng tử trong nhiều hệ thống khác nhau, bao gồm cả fermion.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/news/2019-06-method-d-bose-einstein-condensates-laser.html, 4/6/2019