Tài liệu Làm thế nào để làm đông lạnh nguyên tử bằng tia Laser?

Nguyên tử lạnh

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 vật lý đã thành công trong việc dùng tia laser để làm lạnh những nguyên tử gần không độ tuyệt đối -chưa tới một phần triệu độ Kelvin- Ở nhiệt độ này, thay vì chúng dao động mọi hướng như ở môi trường bình thường chúng ta đang sống. thì chúng bị đông cứng tại chỗ thành một đám mây tuyết mà ta có thể khảo sát chúng tùy thích trong những điều kiện không thể tưởng tượng cách đây vài năm. Kỹ thuật này chắc chắn sẽ tìm ra một ứng dụng như mọi ứng dụng khác

Làm lạnh là gì?

Tại sao tia laser lại làm lạnh được nguyên tử?


Ðể hiểu được, chúng ta phải biết thế nào là nhiệt Nếu định nghĩa theo mức độ vi mô (niveau microscopique) thì đó là do sự lay động điên cuồng của những hạt nguyên tử. Trong chất rắn, những nguyên tử dao động xung quanh vị trí mà chúng được giữ lại do những lực cố kết bên trong (forces de cohésion interne) .


Trong chất khí, chúng di chuyển hỗn độn khắp mọi phía với vận tốc đáng kể, từ vài trăm mét đến vài cây số một giây từ thành này qua 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 có nghĩa là hãm bớt sự hoạt động thất thường của chúng

Áp suất bức xạ (Pression de radiation)


Áp suất bức xạ là một sức ép thực sự do tác dụng của ánh sáng trên vật chất.


Tia laser , dưới những điều kiện nào đó, có thể làm nguyên tử dao động chậm lại nhờ áp suất bức xạ. Ðể biết khái niệm về áp suất bức xạ, chúng ta quay về quá khứ thật xa xưa trước khi có tia laser và chúng ta nhớ lại rằng đầu thế kỷ XII, Kepler đã nghi ngờ có sự hiện diện của một lực khi ông thấy cái đuôi của sao chổi luôn luôn nằm vị trí đối diện với mặt trời. Ông giải nghĩa rằng nó bị áp suất bức xạ của ánh sáng mặt trời đẩy ra xa. Thật ra hướng đuôi sao chổi được hình thành do nhiều hiện tượng phức tạp, nhưng áp suất bức xạ đã gây sự chú ý của các nhà vật lý hơn bao giờ hết. Ðó là Einstein vào đầu thế kỷ thứ XX đã giải thích lần đầu tiên khái niệm này bằng thuyết Lượng Tử , nghĩa là ánh sáng được cấu tạo bởi các phần tử gọi là quang tử (photon). Một tấm đục mờ (hay phản chiếu) nếu được chiếu bởi ánh sáng đủ mạnh sẽ bị một loạt photon oanh tạc đến độ có thể làm cho tấm đó di động nếu 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. Một nguyên tử đứng yên đặt trước chùm tia laser sẽ bị đẩy về hướng truyền của chùm tia với một lực lớn đến nỗi làm cho nguyên tử gia tăng tốc lực đến 1 cây số 1 giây trong vòng một phần ngàn giây. Kết quả lạ lùng này không phải do một photon, vì 1 photon sẽ cho nguyên tử một cú sốc rất yếu. Muốn như trên, phải có sự lập đi lập lại nhiều lần. Nguyên tử nhận nhiều cú sốc vì nó hấp thu nhiều photon.