Lần đầu tiên các phân tử gồm ba nguyên tử đã được làm lạnh xuống nhiệt độ cực lạnh bằng kĩ thuật laser. Thành tựu đạt được bởi John Doyle và các đồng sự tại Đại học Harvard ở Mĩ. Họ sử dụng một kĩ thuật gọi là làm lạnh Sisyphus để hạ nhiệt độ của một tập hợp gồm khoảng một triệu phân tửstrontium-monohydroxide đến khoảng 750 μK. Đội nghiên cứu cho biết công trình trên mở đường cho nhiều ứng dụng đa dạng, ví dụ như mô phỏng lượng tử và đo lường chính xác.

Được phát triển đầu tiên vào cuối thập niên 1970, kĩ thuật dùng laser làm lạnh các chất khí nguyên tử xuống nhiệt độ cực lạnh đã làm cách mạng hóa lĩnh vực nghiên cứu các trạng thái lượng tử của vật chất. Những cột mốc quan trọng bao gồm sự tạo thành ngưng tụ Bose-Einstein lần đầu tiên trong phòng thí nghiệm năm 1995 và ngưng tụ Fermi-Dirac đầu tiên năm 2003. Các kĩ thuật này dựa trên thực tế các photon có mang xung lượng nhỏ và – dưới những điều kiện nhất định – sự hấp thụ và tái phát xạ photon của một nguyên tử có thể làm giảm chuyển động ngẫu nhiên của nó, do đó làm hạ nhiệt độ của nó.

Ảnh chụp các phân tửstrontium-monohydroxide trong quá trình làm lạnh. Đốm màu đỏ có kích cỡ khoảng 4 mm và có mật độ phân tử cao nhất. (Ảnh: Ivan Kozyryevet al/Phys. Rev. Lett.)

Các mức tự do

Làm lạnh phân tử bằng laser thì phức tạp, bởi mức độ tự do quay và dao động của chúng ảnh hưởng đến cách chúng hấp thụ và phát xạ photon. Sự hấp thụ và phát xạ photon có thể đưa các phân tử vào “trạng thái tối” không còn tham gia vào quá trình làm lạnh. Tuy nhiên, bất chấp khó khăn này và những thách thức khác, David DeMille và các đồng sự tại Đại học Yale đã thành công trong việc làm lạnh bằng laser một tập hợp phân tử lưỡng nguyên tửstrontium-fluoride hồi năm 2014.

Trong công trình mới nhất này, John Doyle và các đồng sự tại Harvard làm lạnh các phân tử ba nguyên tửstrontium monohydroxide bằng một phương pháp mang tên người anh hùng thần thoại Hi Lạp Sisyphus, ông bị phạt phải làm một công việc vô nghĩa là đẩy một tảng đá lên đồi, chỉ để nhìn nó lăn xuống. Phương pháp làm lạnh Sisyphus cho các phân tử mất động năng bằng cách ép chúng “leo” lên đồi thế năng do một sóng dừng ánh sáng laser gây ra.

Các nguyên tử lên tới “đỉnh” khi chúng tự phát chuyển sang một trạng thái không còn tương tác với ánh sáng nữa. Tại điểm này, một từ trường ngoài tác dụng đưa các nguyên tử trở lại trạng thái ban đầu – sẵn sàng leo đồi lần nữa. Quá trình lặp lại nhiều lần, với mỗi chu kì làm giảm động năng của các nguyên tử đi một ít – và do đó, chuyển động ngẫu nhiên và nhiệt độ cũng giảm.

Làm lạnh nhanh

Chìa khóa thành công của đội Doyle là quá trình làm lạnh thu được rất nhanh – trong100μs – và chỉ liên quan khoảng 200 photon tương tác với mỗi phân tử. Tốc độ này là quan trọng vì như thế các phân tử ít có khả năng bị đưa vào trạng thái tối trước khi quá trình làm lạnh hoàn tất.

Viết trên tạp chí Physical Review Letters, Doyle và các đồng sự cho biết kĩ thuật của họ cũng có thể dùng để làm lạnh các phân tử đa nguyên tử gốc strontium phức tạp hơn và lớn hơn – chẳng hạn thay hydroxide bằng một nhóm methyl. Nếu kĩ thuật trên có thể mở rộng thêm cho việc làm lạnh phân tử, thì nó cũng có thể dùng để nghiên cứu nguyên nhân vì sao một số quá trình sinh học thiên về các phân tử thuận hoặc các phân tử nghịch.

Nguồn: physicsworld.com