Ứng dụng của tia Laser : Đông lạnh nguyên tử 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 vậtlý đã thành công trong việc dùng tia laserđể làm lạnh những nguyên tử gần khôngđộ tuyệt đối -chưa tới một phần triệu độ Kelvin- Ở nhiệt độ này,thay vì chúngdaođộng mọi hướng như ở môi trường bìnhthường chúng ta đangsống. thì chúngbị đôngcứng tại chỗ thànhmột đám mây tuyếtmàta có thể khảosát chúng tùy thích trongnhữngđiều kiện không thể tưởng tượng cách đây vài năm. Kỹ thuật nàychắc chắn sẽ tìm ra một ứng dụngnhư mọi ứng dụngkhác Làm lạnh là gì?Tại sao tia laser lại làm lạnh được nguyên tử? Ðể hiểuđược, chúng taphải biết thế nào là nhiệt Nếu định nghĩa theomức độ vimô (niveau microscopique) thì đó là do sự lay động điên cuồng củanhững hạt nguyên tử. Trong chất rắn,những nguyên tử dao động xungquanh vị trí mà chúng được giữ lại do nhữnglực cố kết bên trong (forces decohésion interne) . Trongchất khí, chúngdi chuyển hỗn độn khắp mọi phía với vận tốc đángkể, từ vài trăm mét đến vài cây số mộtgiây từ thành nàyqua 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 cónghĩa là hãm bớt sự hoạt động thất thường củachúng Áp suất bức xạ (Pression de radiation) Áp suấtbức xạ là một sức ép thực sự dotác dụng của ánh sáng trên vật chất. Tia laser, dưới nhữngđiều kiện nào đó,có thể làm nguyên tử dao động chậmlại nhờ áp suất bức xạ. Ðể biết khái niệm về ápsuấtbức xạ, chúng ta quay về quá khứ thật xa xưatrước khi cótia laser và chúngta nhớ lại rằngđầuthế kỷ XII, Keplerđã nghi ngờ cósự hiện diện của một lựckhi ôngthấy cái đuôi của sao chổi luôn luônnằm vị trí đối diện với mặt trời. Ônggiải nghĩa rằng nó bị áp suất bức xạ của ánh sáng mặt trời đẩyra xa. Thật ra hướng đuôi sao chổi được hình thành do nhiều hiện tượng phứctạp, nhưng áp suất bức xạ đã gây sự chú ý củacác nhà vật lý hơn baogiờ hết. Ðó là Einsteinvào đầu thế kỷ thứ XXđã giải thích lần đầutiên khái niệm này bằng thuyết Lượng Tử ,nghĩa là ánh sáng được cấu tạo bởi các phần tử gọi là quangtử (photon). Một tấm đụcmờ (hay phảnchiếu) nếu được chiếu bởi ánh sáng đủ mạnh sẽ bị một loạt photon"oanhtạc" đếnđộ có thể làm chotấm đó di độngnếu 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. Mộtnguyên tử đứngyên đặt trước chùm tia laser sẽ bị đẩy về hướngtruyền của chùmtia với một lực lớn đến nỗi làmcho nguyên tử gia tăng tốc lực đến 1 cây số 1 giây trong vòng mộtphần ngàn giây. Kết quả lạ lùng này không phải do một photon,vì 1 photonsẽ cho nguyên tử một cú sốc rất yếu. Muốn như trên,phải có sự lập đi lập lạinhiều lần. Nguyên tử nhận nhiều cú sốc vì nó hấp thu nhiều photon. Nhưng nguyên tử không thể hấp thu vô số photon mãi được. Thật ra, mỗi lần hấpthu một photon thì nólại phát ra trở lại một photonkhác, gọi là photon hùynh quang (fluorescence),giống y như photonmà nó vừa hấp thu, nhưng nó sẽ đi ra theo môt hướng nào đó. Mỗi lần phát ra một photon, nguyên tử lại thụt lùi một chút, giốngnhư khẩu súngbị giựt thụt lùi khi bắn ra một viên đạn. Nhưng vì những photonhuỳnh quang văng ra tứ phía khôngđịnh hướngnên tổng hợp mọi lực lại sẽ triệt tiêu. Ðiểm chính yếu làphải làm chonguyên tử hấp thu photon. Muốnđược như vậy, phải điều chỉnh làmsao cho tần số của photonphù hợp với mộttrong những tần số riêngcủa nguyên tử. (la fréquence desphotons soit ajustée demanière à correspondreà unedespropres fréquences de l'atome). Chính trong những điều kiện này mà người ta đẩy một nguyên tử một cách hiệu quả. Nếu bây giờ ta phóng thậtnhanh các nguyên tử để gặp chùm tialaser, ta có thể làm chậm chúnglại, chận đứng hay ngaycả làmcho chúng quay ngượctrở lại. Thí nghiệm làm chậm nguyên tử này được thực hiện lần đầu tiên vào năm 1985 bởi hai ê kíp người Mỹ Hiệu ứng Dopler Hiệu chính mộtthí nghiệm như vậy kéo theo thêmmột khó khăn: hiệu ứng Doppler.Ðó là một hiện tượngrất phổ quát tạo ra cho âm thanh, cho sóngánh sáng khi nguồn đang chuyểnđộng so với người quansát. Chẳng hạn tiếng còi tàu có vẻ caohơn khitàu tiến gần tới và trầm hơn khitàu xa dần. Tần số những photonmà người quansát (haynguyên tử) đang chuyển độngkhác với tần số mà tia laser phát ra. Từ sự giảm tốc độ cho đến sự làm lạnh Nhưng đến đâythì những thủ tục trên chỉ làmchậm lại những nguyên tửđang bay nhanhkhủng khiếp trong một tia phóng.Bây giờ làm saolàm lạnh một hơi nóng mà nơi đó các nguyên tử chạytán loạn vô phương hường với tốc độ rất lớn? Kết hợp nhiều tia laser Thiết bị thích đáng được đề nghị từ năm1976bởi hai nhà vật lý của đại học Stanfordlà dùng nhiều chùm tia laser. Ta có thể hiểu được cáchhoạt động của chúngbằng cách quan sát dọc theo đường thẳng trênđó ngườita phát hai chùmtia laser y hệt nhau, lantruyền theohướng ngượcnhau.Ðiều chỉnhlàm sao cho tần số các tia laser thấp hơn tần số riêng của nguyên-tử-đang-chuyển-động một chút Với 6 chùmtia laser,đối nhautừng cặp một theo3 hướng trong khônggian: áp suấtbức xạ sẽ đi ngượclại với chuyển động của nguyên tử chodù chúng có chạyqua bên phải, bên trái haylên trên, xuống dưới hoặc ra đằng trước hayđằng sau. Nguyên tử bấy giờ bị phanhlại rất mạnh mẽ chodù nó đi đâu đi chăng nữa. Nó như đang di chuyển trong một dung dịch rấtnhờn màngười ta gọi làmélasse optique.Mélasse optiquelàm lắngdịu lại sự sôi độngnhiệt của những nguyêntử và làm chúng đônglạnh hoàn toàn, tại chỗ. Thí nghiệm lần đầu tiêntại phòng thí nghiệm AT&TBell tại Hoa Kỳ năm 1985 cho ra những nguyên tử có nhiệtđộ dưới một phần ngàn độ Kelvin, tượng trưng với vận tốc trungbình vài chục centimét/giây. Và sự hãm vận tốc này được thực hiện trong phần ngàn giây. Vài năm sau lần thí nghiệm đầu tiên về mélasseoptique,năm 1990, một ê kíp người Pháp đã đoạt kỷ lục gần không độ tuyệt đối : 2µK tức làchỉ cao hơn 0K có 2 phần triệuđộ! Sự phát triển lớn trong lãnhvực thực nghiệmkèm theo những tiến bộ quan trọng về lýthuyết nhờ những ê kíp Mỹ vàPháp. Nếu dựa trên căn bản lý luận như trình bày ở trên về cơ chế làm lạnh, còn gọi là "mélasseDoppler", người ta có thể tính được nhiệt độ giới hạn mà không thể nào xuốngthêm được. Lực masát của mélasselàm các nguyên tử bấtđộng hoàn toàn, vì bị ngăn trở khinhững nguyên tử bị khá lạnhdosự phátxạ photon huỳnh quang như ta đã nói ở trên. Do sự thụt lùimỗi khi phát ra photon fluorescens một cách tình cờ, và khắp mọi hướng cộng vớisự masát mà nguyên tử chỉ còn một sự khuấy động tuy cònsót lại chút ít nhưng nó làm cho giớihạn nhiệt độ còn 200µ°K Ngay cả nhữnglần thí nghiệm đầu tiên,giớihạn đó gầnđạt tới, rồi thì giới hạn càng tiến xa hơn dự tính. Theo nhữngnhà vật lý thì còn nhữngcơ chế khác đó là hiệu ứng cơ họccủa ánh sáng, độc lập với ápsuất bức xạ. Làm lạnh tốt hơn nhờ đặc tinh sóng của ánh sáng Sóng ánh sáng tạo cho nguyên tử một hình nổi thật sự donhững chỗ lồi lõm của nó. Nguyêntử đã bị chậm lại bởi hiệu ứngmélasse rồi còn phải lên xuống những chỗ lổi lõm. Người ta còn sắpđặt cho nguyên tử lên nhiều hơn là xuốngđể nó mấtnhiềunăng lượng và bị kẹt trong chỗ lõm, nơi đó nó ở nhiệt độ rất thấp Cái bẫy cho những nguyên tử siêu lạnh Những mélasse dephotons làm lạnh cácnguyêntử ở nhiệtđộ rất thấp, nhưng chúng chưa thựcthụ bị giamhãm. Chúngcòn đi đượcvận tốc vài phân mỗi giây theođường chữ z (zigzag), lộn xộn khôngtheo phương hướngnào cả vì mỗi lần nó gặp mộtphoton là nóđổi hướng. Tuy vậy không gì ngăn cản nó đi về hướng mép của mélasse (tạo thànhbởi vùng giao nhau của 6chùm tia laser)để trốn chạy. Nghĩa là người ta phanh nólại nhưngkhông bẫy nó được. Ðể giải quyết vấn đề bất tiện này, những nhànghiên cứu Pháp đề nghị hoàn thiện mélasse bằng cách thêm vào mộttừ trường cho 6 chùm tia Ghép đôi laser-từ trường Từ trườnglàm thayđổi cơ cấu trongnguyêntử và tần số riêngcủa chúng Do đó có mộtsự thay đổiápsuất bứcxạ mà nhữngphoton gây trên nó. Với một từ trường thay đổi chung quanh mộttâm điểm, người ta có thể điều chỉnhđược áp suất bức xạ như thế nàođể áp suất đưa các nguyên tử vôgiữa trung tâm trong lúc vẫn tạo được hiệu ứng mélasse Ðể chất đầy nguyêntử lạnhvôbẫy , thoạt đầu các nhà nghiêncứu dùng một tia nguyên tử (jetd'atomes) đã được làm chậm.Nhưng sau đó họ nhậnthấy rằng những nguyên tử đến trung tâm quá dễ dàng, ngay cả khi tia nguyên tử không hướngvề phíatrung tâm. Dođó họ nghĩ rằng họ cóthể chụp bắtđược nguyêntử trong những điều kiện khó khăn hơn Họ liền đặt cái bẫy ở giữa một vật chứa khí nguyêntử bằng thuỷ tinh,ở nhiệtđộ thường.Bẫy tốt đến nỗi nó bẫy luôn những nguyêntử gần trungtâm và làm lạnhchúng và giữ chúng ở tình trạng lơ lửng: sau khoảng một phần mấy giây, nhiều nguyên tử dính kết lại thành một đámmây nhỏ, sáng mà tỉ trọng gấp ngàn lần chất khí.Ngoài ra những nguyên tử này rất lạnh trong lúc nguyên tử chât khí thì nóng Thí nghiệm này khởi đầu được thực hiện với những nguyên tử Césium và tia laser có độ dài sóng850nmtương đươngvới màu đỏ sậm, chỉ thấy vừaphải không rõ, gầnnhư infrarouge. Ðể nhìn thấy rõmây (nguyên tử lạnh), nên dùng caméra infrarouge. Người ta cũng làm thínghiệmvới những nguyên tử Natri vàtia laser màu vàng vớiđộ dài sónglà 690 nm Tronghaitrường hợp, ta thấy rất rõ mây tạo thành ngaykhi mới vừa cắm máy laser. Mây chiếu sánglàdo các các nguyên tử phát các photon huỳnh quang ra khắpmọi nơi . Số nguyêntử bị mắc bẫy có khoảng 100triệu đến1 tỉ cho đámmây có đườngkính vài milimét Những nguyên tử lạnh bi mắc bẫy dùng để làm gì? Những nguyên tử lạnh bị bẫy mở ra những triểnvọng mới chongành vật lý dùngnhiệt độ rấtthấp. Các nguyên tử rất lạnh này sẽ tự đôngđặcthành mạng đều đặn haytích tụ dưới nhữnghìnhthức khác như trạng thái lạ lùng của vật chất mà Bose và Einsteinđã tiên đoán năm 1925nhưng chưa bao giờ được quansát cho đến ngày nay. Bẫy nguyên tử phóng xạ Các nhà vật lý đã bẫy những loại nguyên tử khác nhau.Nhiều ê kíp nghiên cứuchuyệnbẫy các nguyêntử phóngxạ đặc biệt những loại hiếm.Khi chúng bị bẫy, ta có thể bắt chúng đứng yên để quan sát Bẫy những phản vật chất Ý tưởng lạ lùng nhất là chứa những phảnvật chất trongbẫy. Thườngthì những phản phật chất bị tiêu tan vớivật chất cho nên ta không thể chứa chúng trong đồ đựng bình thường.Bẫy phải đượccấu tạo bởi một hộp phivật chất (immatériel) trong đó phảnvậtchất được chứa một cách an toàn . Ứng dụng của tia Laser : Đông lạnh nguyên tử Dùng một chùm tia sáng hướng xạ bằng tia laser để đục lỗ, làm nóng chảy, cắt kim loại hay làm. 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 vậtlý đã thành công trong việc dùng tia laser ể làm lạnh. tượng cách đây vài năm. Kỹ thuật nàychắc chắn sẽ tìm ra một ứng dụngnhư mọi ứng dụngkhác Làm lạnh là gì?Tại sao tia laser lại làm lạnh được nguyên tử? Ðể hiểuđược, chúng taphải biết thế nào là nhiệt