Ứng dụng của tia Laser : Đông lạnh nguyên tử

Tham khảo tài liệu ứng dụng của tia laser : đông lạnh nguyên tử, tài liệu phổ thông, vật lý phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Ứng dụng của tia Laser : Đông lạnh nguyên tử Ứng dụng của tia Laser : Đông lạnh nguyên tử Dùng một chùm tia sáng hướng xạ bằng tia laser để đục lỗ, làm nóngchảy, cắt kim loại hay làm khí giới hủy diệt... không còn làm chúng ta ngạcnhiên 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 làmlạnh 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 thườngchúng ta đang sống. thì chúng bị đông cứng tại chỗ thành một đám mây tuyết mà tacó thể khảo sát chúng tùy thích trong những điều kiện không thể tưởng tượngcách đây vài năm. Kỹ thuật này chắc chắn sẽ tìm ra một ứng dụng như mọi ứngdụng 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 mứcđộ vi mô (niveau microscopique) thì đó là do sự lay động điên cuồng của nhữnghạt nguyên tử. Trong chất rắn, những nguyên tử dao động xung quanh vị trí màchúng 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 chứanó. Làm giảm nhiệt độ tức là làm giảm độ dao động nhiệt này. Ở không độ tuyệtđối sẽ là sự bất động hoàn toàn. Do đó làm lạnh một chất khí có nghĩa là hãm bớtsự 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 độngchậm lại nhờ áp suất bức xạ. Ðể biết khái niệm về áp suất bức xạ, chúng ta quay vềquá 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 chổiluôn luôn nằm vị trí đối diện với mặt trời. Ông giải nghĩa rằng nó bị áp suất bức xạcủa ánh sáng mặt trời đẩy ra xa. Thật ra hướng đuôi sao chổi được hình thành donhiều hiện tượng phức tạp, nhưng áp suất bức xạ đã gây sự chú ý của các nhà vậtlý hơn bao giờ hết. Ðó là Einstein vào đầu thế kỷ thứ XX đã giải thích lần đầu tiênkhái niệm này bằng thuyết Lượng Tử , nghĩa là ánh sáng được cấu tạo bởi các phầntử gọi là quang tử (photon). Một tấm đục mờ (hay phản chiếu) nếu được chiếu bởiánh sáng đủ mạnh sẽ bị một loạt photon oanh tạc đến độ có thể làm cho tấm đódi 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 tialaser sẽ chịu một cú sốc và nhận một lực đẩy (xung động, impulsion) theo hướngcủa ánh sáng tới. Một nguyên tử đứng yên đặt trước chùm tia laser sẽ bị đẩy vềhướng truyền của chùm tia với một lực lớn đến nỗi làm cho nguyên tử gia tăng tốclực đến 1 cây số 1 giây trong vòng một phần ngàn giây. Kết quả lạ lùng này khôngphải do một photon, vì 1 photon sẽ cho nguyên tử một cú sốc rất yếu. Muốn nhưtrên, phải có sự lập đi lập lại nhiều lần. Nguyên tử nhận nhiều cú sốc vì nó hấp thunhiều photon. Nhưng nguy ên tử không thể hấp thu vô số photon mãi được. Thật ra, mỗilần hấp thu một photon thì nó lại phát ra trở lại một photon khác, gọi là photonhùynh quang (fluorescence), giống y như photon mà nó vừa hấp thu, nhưng nósẽ đi ra theo môt hướng nào đó. Mỗi lần phát ra một photon, nguyên tử lại thụt lùimột chút, giống như khẩu súng bị giựt thụt lùi khi bắn ra một viên đạn. Nhưng vìnhững photon huỳnh quang văng ra tứ phía không định hướng nên tổng hợp mọilực lại sẽ triệt tiêu. Ðiểm chính yếu là phải làm cho nguyên tử hấp thu photon. Muốn được nhưvậy, phải điều chỉnh làm sao cho tần số của photon phù hợp với một trong nhữngtần số riêng của nguyên tử. ( la fréquence des photons soit ajustée de manière àcorrespondre à une des propres fréquences de latome). Chính trong những điềukiện này mà người ta đẩy một nguyên tử một cách hiệu quả. Nếu bây giờ ta phóng thật nhanh các nguyên tử để gặp chùm tia laser, ta cóthể làm chậm chúng lại, chận đứng hay ngay cả làm cho chúng quay ngược trởlại. Thí nghiệm làm chậm nguyên tử này được thực hiện lần đầu tiên vào năm1985 bởi hai ê kíp người Mỹ Hiệu ứng Dopler Hiệu chính một thí nghiệm như vậy kéo theo thêm một khó khăn: hiệu ứngDoppler. Ðó là một hiện tượng rất phổ quát tạo ra cho âm thanh, cho sóng ánhsáng khi nguồn đang chuyển động so với người quan sát. Chẳng hạn tiếng còi tàucó vẻ cao hơn khi tàu tiến gần tới và trầm hơn khi tàu xa dần. Tần số nhữngphoton mà người quan sát (hay nguyên tử) đang chuyển động khác với tần sốmà tia laser phát ra. Từ sự giảm tốc độ cho đến sự làm lạnh Nhưng đến đây thì những thủ tục trên chỉ làm chậm lại những nguyêntửđang bay nhanh khủng khiếp trong một tia phóng. Bây giờ làm sao làm lạnh mộthơi nóng mà nơi đó các nguyên tử chạy tán loạn vô phương hường với tốc độ rấtlớn? Kết hợp nhiều tia laser Thiết bị thích đáng được đề nghị từ năm 1976 bởi hai nhà vật lý của đạihọc Stanford là dùng nhiều chùm tia laser. Ta có thể hiểu được cách hoạt độngcủa chúng bằng cách quan sát dọc theo đường thẳng trên đó người ta phát haichùm tia laser y hệt nhau, lan truyền theo hướng ngược nhau. Ðiều chỉnh làm saocho tần số các tia laser thấp hơn tần số riêng của nguyên-tử-đang-chuyển-độngmột chút Với 6 chùm tia laser, đối nhau từng cặp một theo 3 hướng trong không gian:áp suất bức xạ sẽ đi ngược lại với chuyển động của nguyên tử cho dù chúng cóchạy qua bên phải, bên trái hay lên trên, xuống dưới hoặc ra đằng trước hay đằngsau. Nguy ên tử bấy giờ bị phanh lại rất mạnh mẽ cho dù nó đi đâu đi chăng nữa.Nó như đang di chuyển tron ...