Các nhà vật lý tạo ra "khí ánh sáng" cực kỳ có thể nén được

  •  
  • 225

Nếu bạn dùng ngón tay cắm đầu ra của máy bơm khí, bạn vẫn có thể đẩy pít-tông của nó xuống. Lý do: Khí khá dễ nén - chẳng hạn như chất lỏng. Nếu máy bơm chứa nước thay vì không khí, về cơ bản sẽ không thể di chuyển piston, ngay cả với nỗ lực lớn nhất.

Chất khí thường bao gồm các nguyên tử hoặc phân tử xoáy nhanh hơn hoặc ít hơn trong không gian. Nó khá giống với ánh sáng: Các khối xây dựng nhỏ nhất của nó là các photon, về mặt nào đó nó hoạt động giống như các hạt. Và những photon này cũng có thể được coi như một chất khí, tuy nhiên, một photon hoạt động hơi khác thường: Bạn có thể nén nó trong những điều kiện nhất định mà hầu như không cần nỗ lực. Ít nhất đó là những gì lý thuyết dự đoán.

Các photon trong hộp gương

Các nhà nghiên cứu từ Viện Vật lý Ứng dụng (IAP) tại Đại học Bonn đã chứng minh tác dụng này trong các thí nghiệm.

Tiến sĩ Julian Schmitt của IAP- Điều tra viên chính trong nhóm của Giáo sư Tiến sĩ Martin Weitz, giải thích: “Để làm được điều này, chúng tôi đã lưu trữ các hạt ánh sáng trong một chiếc hộp nhỏ làm bằng gương. Chúng ta đặt càng nhiều photon vào đó, thì photon khí càng trở nên đặc hơn".

Quy luật thường là: Chất khí càng đặc, càng khó nén. Đây cũng là trường hợp của máy bơm không khí được cắm - lúc đầu piston có thể được đẩy xuống rất dễ dàng, nhưng đến một lúc nào đó nó khó có thể di chuyển được nữa, ngay cả khi tác dụng nhiều lực. Các thí nghiệm Bonn ban đầu cũng tương tự như vậy: Họ càng đặt nhiều photon vào hộp gương thì việc nén khí càng trở nên khó khăn hơn.

Tuy nhiên, hành vi thay đổi đột ngột tại một thời điểm nhất định: Ngay sau khi khí photon vượt quá một mật độ cụ thể, nó có thể đột ngột bị nén lại mà hầu như không có lực cản"Hiệu ứng này là kết quả của các quy tắc của cơ học lượng tử", Schmitt giải thích, người cũng là thành viên liên kết của Cụm xuất sắc "Vật chất và Ánh sáng cho Máy tính Lượng tử" và là trưởng dự án tại Trung tâm Nghiên cứu Hợp tác Transregio 185. Lý do: Ánh sáng các hạt thể hiện "độ mờ" - nói một cách đơn giản, vị trí của chúng hơi bị mờ. Khi chúng đến rất gần nhau ở mật độ cao, các photon bắt đầu chồng lên nhau. Các nhà vật lý sau đó cũng nói về "sự thoái hóa lượng tử" của chất khí. Và việc nén một chất khí suy biến lượng tử như vậy trở nên dễ dàng hơn nhiều.

Các photon tự tổ chức

Nếu sự xen phủ đủ mạnh, các hạt ánh sáng hợp nhất để tạo thành một loại siêu photon, chất ngưng tụ Bose-Einstein. Nói một cách đơn giản, quá trình này có thể được so sánh với sự đóng băng của nước: Ở trạng thái lỏng, các phân tử nước bị rối loạn; sau đó, ở điểm đóng băng, các tinh thể băng đầu tiên hình thành, cuối cùng hợp nhất thành một lớp băng mở rộng, có trật tự cao. "Các đảo trật tự" cũng được hình thành ngay trước khi hình thành khối ngưng tụ Bose-Einstein, và chúng ngày càng lớn hơn khi có thêm các photon.

Chất ngưng tụ chỉ được hình thành khi những hòn đảo này lớn lên nhiều đến mức trật tự kéo dài trên toàn bộ hộp gương chứa các photon. Điều này có thể được so sánh với một hồ nước mà trên đó các tảng băng độc lập cuối cùng đã kết hợp với nhau để tạo thành một bề mặt đồng nhất. Đương nhiên, điều này đòi hỏi một số lượng lớn hơn nhiều hạt ánh sáng trong một hộp mở rộng so với một hộp nhỏ. "Chúng tôi đã có thể chứng minh mối quan hệ này trong các thí nghiệm của mình", Schmitt chỉ ra.

Để tạo ra một loại khí có số lượng hạt thay đổi và nhiệt độ xác định rõ ràng, các nhà nghiên cứu sử dụng một "bể nhiệt": "Chúng tôi đưa các phân tử vào hộp gương có thể hấp thụ các photon", Schmitt giải thích. "Sau đó, chúng phát ra các photon mới có nhiệt độ trung bình bằng nhiệt độ của các phân tử - trong trường hợp của chúng tôi, chỉ dưới 300 Kelvin, tức là bằng nhiệt độ phòng".

Các nhà nghiên cứu cũng phải vượt qua một trở ngại khác: Các khí photon thường không có mật độ đồng đều - ở một số nơi có nhiều hạt hơn nhiều so với những nơi khác. Điều này là do hình dạng của cái bẫy mà chúng thường chứa trong đó. "Chúng tôi đã thực hiện một cách tiếp cận khác trong các thí nghiệm của mình", Erik Busley, tác giả đầu tiên của ấn phẩm cho biết. "Chúng tôi chụp các photon trong một hộp gương đáy phẳng mà chúng tôi đã tạo ra bằng phương pháp cấu trúc vi mô. Điều này cho phép chúng tôi tạo ra một khí lượng tử đồng nhất của các photon lần đầu tiên".

Trong tương lai, khả năng nén được nâng cao lượng tử của khí sẽ cho phép nghiên cứu các cảm biến mới có thể đo các lực cực nhỏ. Bên cạnh triển vọng về công nghệ, các kết quả cũng rất được quan tâm cho nghiên cứu cơ bản.

Cập nhật: 04/04/2022 Theo sao.baophapluat
  • 225

Theo dõi cộng đồng KhoaHoc.tv trên facebook