Cho phản xạ các nguyên tử để đo lực hấp dẫn

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa nghĩ ra một phương pháp thực hiện những phép đo rất chính xác của lực hấp dẫn bằng cách cho bật các nguyên tử lên xuống khỏi một chùm laser.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cho phản xạ các nguyên tử để đo lực hấp dẫn Cho phản xạ các nguyên tử để đo lực hấp dẫn Các nhà vật lí ở Mĩ vừa nghĩ ra một phương pháp thực hiện nhữngphép đo rất chính xác của lực hấp dẫn bằng cách cho bật các nguyên tử lênxuống khỏi một chùm laser. Không giống như các kĩ thuật thả rơi các nguyêntử khoảng 10cm, phương pháp mới này chỉ yêu cầu thả rơi khoảng 20 µm.Đội nghiên cứu còn cải tiến thí nghiệm để tiến hành phép đo giao thoanguyên tử, nhờ đó sự giao thoa lượng tử giữa các nguyên tử có thể dùng đểđo những gia tốc rất nhỏ. Vì kích thước nhỏ gọn của nó, đội nghiên cứu tin rằng kĩ thuật có thể dùng đểchế tạo các gia tốc kế chính xác có thể dùng trong các hệ thống đạo hàng cho máybay, tàu ngầm và cả phi thuyền vũ trụ. Kĩ thuật đó còn có thể sử dụng trong các thínghiệm tìm kiếm những sai lệch khỏi định luật hấp dẫn của Newton.Hơn hai thập niên qua, các nhà vật lí đã trở nên tinh thông ở việc bẫy và điều khiểnnhững số lượng nhỏ nguyên tử bằng laser và trường điện từ. Giống như mọi vậtchất khác, các nguy ên tử này rơi xuống phía Trái đất, điều đó cho phép các nhàkhoa học thực hiện những phép đo rất chính xác cách thức lực hấp dẫn tác dụnglên những vật rất nhỏ và trên những cự li tương đối ngắn.10,000 nguyên tử cực lạnhKĩ thuật mới do Cass Sackett và các đồng sự tại trường Đại học Virginia ở Mĩ pháttriển, họ đã bắt đầu thí nghiệm của mình với một tập hợp khoảng 10.000 nguyêntử rubidium-87 đã được làm lạnh tới nhiệt độ micro-Kelvin. Việc sử dụng cácnguyên tử cực lạnh như thế thật quan trọng vì chúng ít năng lượng nhiệt và do đógần như không còn chuyển động khi chúng bắt đầu rơi vào trong một buồng chânkhông (arXiv:0902.0109).Ban đầu được giữ bằng từ trường, các nguy ên tử rơi xuống khi từ trường tắt đi.Khi chúng rơi xuống, đa số các nguyên tử va chạm với các photon phát ra bởi mộtdiode laser đặt ngay bên dưới bẫy, chúng phát ra các xung ánh sáng hướng thẳnglên trên khoảng một xung mỗi 2 ms. Khi các nguyên tử va chạm, mỗi nguyên tửnhận được đúng một xung lượng chính xác, đánh bật chúng trở lại. Các nguyên tửnày sau đó rơi trở xuống lần nữa, vừa đủ để va chạm với xung laser tiếp theo.Nếu màu sắc của ánh sáng laser và tần số của các xung được thiết đặt thích hợp, thìcác nguyên tử sẽ được đưa vào phản xạ và gia tốc do hấp dẫn có thể suy ra từ cácthông số thực nghiệm và hằng số Planck. Đội nghiên cứu đã duy trì được sự phảnxạ này trong khoảng 100 chu trình, theo lời họ như thế là tương đương với việc thảrơi các nguyên tử khoảng 2 cm trong một thí nghiệm chuẩn bình thường. Sau khihiệu chỉnh ảnh hưởng của từ trường tản lạc lên các spin nguyên tử, đội nghiên cứuthu được một giá trị hằng số hấp dẫn bằng 9.814 ± 0.008 m/s2, phù hợp với giá trịmong đợi.“Kĩ thuật của chúng tôi mang lại một phương pháp áp dụng một lực đã được biếtrất tốt cho các nguyên tử”, Sackett giải thích. “Khi biết lực cần thiết để cân bằng lựchấp dẫn, chúng ta thu được một số đo chính xác của lực hấp dẫn”, ông thêm.Mark Kasevich ở trường Đại học Stanford, người đã đi tiên phong sử dụng cácnguyên tử cực lạnh để đo lực hấp dẫn, phát biểu với physicsworld.com: “Đúng làmột bài báo hay – nó cho thấy chắc chắn rằng việc theo đuổi những thí nghiệm đẩyxa hơn nữa các giới hạn độ nhạy sẽ thật hấp dẫn”.Sẽ cải tiến thêmSackett phát biểu với physicsworld.com rằng đội của ông đang có kế hoạch cảithiện độ chính xác của phương pháp bằng cách đưa các nguyên tử vào mộtt rhkhông nhạy với từ trường. Đội cũng còn có kế hoạch giảm số nguyên tử bị thấtthoát trong thí nghiệm – hiện nay là khoảng 0,1% mỗi lần bật trở lại. Sackett tinrằng điều này có thể thực hiện bằng cách cải thiện sự điều khiển của họ đối vớicường độ của các xung laser.Đội nghiên cứu cũng đã đưa ra một phương pháp sử dụng các nguyên tử để thựchiện phép đo giao thoa nguyên tử. Nếu các nguyên tử được gửi dọc theo những lộtrình khác nhau rồi sau đó kết hợp lại tại detector, hình ảnh vân giao thoa thuđược phụ thuộc vào bất kì sự chênh lệch nào ở gia tốc mà các nguyên tử chịu. Nếuchế tạo tích hợp với một dụng cụ di động, các gia tốc kế kiểu như vậy có thể dùnglàm bộ phận của các thiết bị đạo hàng chính xác cao có thể hoạt động độc lập củacác hệ thống GPS – khiến chúng thật hấp dẫn đối với tàu ngầm và các ứng dụngquân sự khác.Mặc dù kĩ thuật này mang lại một giá trị kém chính xác hơn cho gia tốc hấp dẫn sovới chỉ cho bật phản xạ một lộ trình, nhưng đội nghiên cứu tin rằng họ có thể cảithiện độ chính xác đó lên chừng một chục lần.Hơi mất cân bằngĐối với giao thoa kế, cơ cấu hiện nay bị hạn chế bởi một sự hơi mất cân bằng giữacác lực tác dụng lên hai nhóm nguyên tử - và Sackett nói rằng việc cải thiện sự mấtcân bằng này là có thể, nhưng sẽ khó thực hiện.Sackett tin rằng một ứng dụng sớm của công nghệ này có thể là trong các phươngtiện hỗ trợ đạo hàng dùng cho xe quân sự, tàu hải dương và máy bay. Một dụng cụnhư vật sẽ giữ vết vị trí của nó bằng cách theo dõi gi ...