Ngưng tụ Bose - Einstein và chip nguyên tử

1.                 Từ bức thư Bose gửi Einstein đến giải Nobel vật lý năm 2001

Ngày 4 tháng 6 năm 1924, Satyendra Nalh Bose lúc đó 30 tuổi là giảng viên của Đại học Dacca ở Đông Bengal đã gửi một bài bằng tiếng Anh cho Einstein lúc bấy giờ là giáo sư vật lý ở Berlin. Bài báo có kèm theo bức thư ngắn viết tay bắt đầu như sau:

“Kính thưa Ngài,

Tôi đánh bạo gửi kèm theo đây bài báo mong ngài đọc kỹ và cho ý kiến. Tôi nóng lòng muốn biết ngài nghĩ về bài báo này như thế nào. Ngài sẽ thấy là tôi cố gắng suy ra hệ số 8πv/c ²trong công thức của định luật Planck không dựa trên điện động lực học cổ điển mà chỉ giả thiết là trong không gian pha, h ³là vùng cơ bản nhỏ nhất. Tôi không đủ tiếng Đức để dịch bài báo này. Nếu ngài thấy rằng bài báo đáng để công bố, tôi vô cùng biết ơn ngài nếu ngài sắp xếp cho đăng ở Zeitschrift für Physik...”.

Einstein rất có ấn tượng với bài báo này của Bose vì bài báo đã làm sáng tỏ nhiều điểm mà gần 20 năm Einstein đã chú ý tìm tòi. Einstein tự mình dịch bài báo ra tiếng Đức và đầu tháng 7 năm 1924, tạp chí Zeitschrift đã đăng bài báo với tên “Định luật Planck và giả thiết về lượng tử ánh sáng”, tác giả là Bose.

Einstein rất thích thú về vấn đề này, tự mình tiếp tục nghiên cứu và công bố kết quả trong hai bài báo đăng ở tạp chí của Viện Hàn lâm Khoa học Phổ vào các năm 1924 và 1925. Ông đã phát triển phương pháp thống kê không những đối với những hạt không có khối lượng (photon) như Bose đã nghiên cứu mà còn cả với những hạt có tính thống kê như thế nhưng có khối lượng.

Lúc bấy giờ cơ học lượng tử đang bắt đầu phát triển, người ta nghiên cứu nhiều về hạt electron. Fermi và Dirac nghiên cứu thống kê đối với loại hạt này và gọi các hạt có tính thống kê như electron là hạt Fermi hay fecmion và thống kê mà hai ông tìm được đối với loại hạt này là thống kê Fermi-Dirac. Chính Dirac đã đề nghị hạt có tính thống kê như Bose đã nghiên cứu lần đầu tiên là hạt Bose hay là boson và về sau thống kê với boson có tên là thống kê Bose - Einstein.

Có gì khác nhau giữa hai loại hạt và hai kiểu thống kê?

Ta biết rằng hạt vi mô có nhiều thuộc tính đặc trưng. Bên cạnh khối lượng, điện tích, v.v..., có một thuộc tính rất đặc biệt của hạt vi mô là spin. Electron có spin là số không nguyên ± 1/2, những hạt có spin là số không nguyên như 1/2, 3/2, 5/2, ... gọi là hạt Fermi. Các hạt Fermi có đặc điểm là khi gần nhau không bao giờ chịu ở cùng một trạng thái. Thí dụ các electron trong nguyên tử không bao giờ ở cùng một trạng thái (có 4 lượng tử số giống nhau) do đó chúng phải sắp xếp theo từng lớp từ trong ra ngoài tạo nên cách sắp xếp tuần hoàn của các nguyên tử ở Bảng tuần hoàn Mendeleev. Còn photon cũng như các hạt Bose khác có spin là số nguyên (photon có spin nguyên, bằng 1), một số nguyên tử cũng có spin nguyên là 1, 2, ... Các hạt Bose có tính tập thể hơn, chúng có thể xích lại gần nhau và ở cùng một trạng thái, đó là trạng thái có năng lượng thấp nhất. Lúc đó có thể xem các hạt Bose như ngưng tụ lại, người ta gọi đó là ngưng tụ Bose - Einstein (Bose - Einstein condensate, BEC). Đây là một trạng thái đặc biệt của vật chất mà từ gần 80 năm trước đây Bose và Einstein đã dự đoán là có thể xảy ra.

Năm 2001 giải Nobel vật lý được trao cho ba nhà khoa học Eric A. Cornell, Wolfgang Ketterle và Carl E. Wieman (đều là người Mỹ) vì “đã tạo được ngưng tụ Bose - Einstein trong khí loãng của các nguyên tử kiềm và vì những nghiên cứu cơ bản về các tính chất của ngưng tụ”.

Để tạo được ngưng tụ Bose - Einstein, cần phải chọn các nguyên tử có spin là số nguyên và phải làm lạnh chúng đến nhiệt dộ cỡ gần bằng 0K (không độ Kenvin). Tất nhiên không có cái bình vật chất nào để chứa chúng ở nhiệt độ thấp như vậy. Vì nguyên tử có spin thì cũng có mômen từ cho nên có thể dùng từ trường để “bẫy” giữ chúng lại. Tất cả những việc đó, Cornell, Ketterle và Wieman đã làm nhưng với những thiết bị đồ sộ, phức tạp.

2.                 Xu hướng làm chip nguyên tử

Các nguyên tử ở trạng thái ngưng tụ Bose – Einstein, thường gọi là giọt BEC, có những tính chất cực kỳ mới, rất đặc biệt. Xét về mặt sóng, các nguyên tử của giọt đó có cùng bước sóng, cùng pha, không phân biệt được với nhau. Cả giọt BEC như là một nguyên tử khổng lồ có biên độ sóng là tổng cộng biên độ sóng của từng nguyên tử. Nếu giọt BEC đó “chảy” theo một đường nào, đó là một chùm nguyên tử kết hợp tương tự như laze là một chùm photon kết hợp. Vì vậy người ta thường nói từ giọt BEC có thể tạo ra laze nguyên tử. Ta đã biết laze có những ưu việt, những ứng dụng to lớn trong khoa học và kỹ thuật như thế nào. Ta cũng dễ hình dung giọt BEC cho những chùm nguyên tử kết hợp sẽ có những ứng dụng đặc biệt to lớn hơn như thế nào.

Nói là đặc biệt, to lớn hơn vì photon là hạt không có khối lượng (khối lượng nghỉ bằng không), còn nguyên tử là hạt có khối lượng khá lớn, tất nhiên phải chịu ảnh hưởng của trọng trường. Vì vậy khi đã tạo ra được ngưng tụ Bose – Einstein người ta nghĩ ngay đến những ứng dụng mới từ các giọt ngưng tụ này. Nhưng rõ ràng là phải với những thiết bị làm lạnh to hơn và từ trường rất lớn mới có thể tạo ra được một giọt BEC nhỏ xíu thì giọt đó cũng chỉ có ý nghĩa cho nghiên cứu cơ bản. Phải vi tiểu hình hoá (miniaturisation) sao cho tạo ra được giọt BEC ở một thể tích rất nhỏ, cho nó chảy theo đường dẫn li ti, đo được dễ dàng những hiệu ứng do chùm nguyên tử kết hợp sinh ra, v.v..., tất cả đều làm theo kiểu công nghệ vi điện tử đã làm đối với mạch điện. Làm được như vậy giọt BEC, chùm laze nguyên tử mới có ứng dụng rộng rãi được. Đó là xu hướng làm các chip nguyên tử mới phát triển trong bốn năm năm gần đây. Tuy mới, nhưng kế thừa công nghệ vi điện tử, việc làm chip nguyên tử đã có những thành tựu và những hứa hẹn rất to lớn, được xếp vào dạng công nghệ cao nhất ở đầu thế kỷ 21.

3.                 Thí dụ một số thành tựu trong chế tạo chip nguyên tử và ứng dụng.

Ta biết rằng công nghệ vi điện tử làm ra chip điện tử cho phép tạo ra trên một phiến bán dẫn những chỗ sinh ra electron (nguồn điện), những đường dẫn cho electron chạy (dây dẫn), những chỗ chứa electron (tụ điện), những linh kiện tích cực thực hiện những chức năng nào đó (tranzito, khuếch đại...). Nhờ làm rất nhỏ gọn, tất cả đều nằm trên một con chip nên đã tạo ra một cuộc cách mạng về ứng dụng vật lý điện tử trong khoa học và kỹ thuật.

Ở chip nguyên tử cũng vậy. Phải tạo ra giọt BEC trên một diện tích nhỏ, phải bẫy để giữ chúng lại, phải tạo ra các đường dẫn để theo đó nó “chảy đi” tạo thành dòng nguyên tử, phải bố trí để tạo ra được các hiệu ứng liên quan đến tính năng của nguyên tử, v.v... Tất cả đều phải làm với kích thước rất nhỏ gọn, cơ động để có thể ứng dụng một cách rộng rãi. Điều rất khó đối với chip nguyên tử là phải tạo nhiệt độ gần không độ Kenvin để có giọt BEC và nó tồn tại, hoạt động. Ta xét một số thí dụ:

Bẫy từ chứa giọt BEC.

Trên bề mặt người ta tạo một đường dẫn điện có dòng điện I ₁chạy qua. Dòng điện sinh ra từ trường có đường sức từ là đường tròn bao quanh dòng điện. Nếu tạo thêm từ trường đều B _biastheo phương vuông góc với dòng điện I ₁, từ trường này kết hợp với từ trường do dòng điện I ₁sinh ra sẽ tạo nên một khu vực từ trường bằng không, khu vực này có dạng một đường song song với đường dẫn điện. Đó là khu vực mà giọt nguyên tử bị bẫy. Các dòng điện I ₂vuông góc với I ₁ở hai đầu giới hạn có tác dụng làm cho khu vực nguyên tử bị bẫy không phải là một đường thẳng mà là một đoạn thẳng. Từ trường phụ B _offsetlàm cho nguyên tử trong bẫy chỉ dao động điều hoà.

Hiện nay đã làm được bẫy từ cho giọt nguyên tử có độ vài ngàn nguyên tử rubidi, dòng điện trong các dây dẫn để tạo ra bẫy từ vào cỡ vài chục miliampe và giọt nguyên tử nằm lơ lửng cách bề mặt độ vài micromet. Vì là trong chân không nên khoảng cách nhỏ đó cũng đủ để giọt nguyên tử cách nhiệt với bề mặt.

- Làm đường dẫn cho chùm nguyên tử. Cách đơn giản nhất là làm hai đường dẫn điện gần nhau song song với nhau và cho hai dòng điện bằng nhau nhưng ngược chiều nhau qua hai dây dẫn đó. Khu vực ở giữa hai đường dây điện đó là khu vực từ trường tổng cộng bằng không, các nguyên tử có xu hướng chạy dọc theo đường ở giữa hai dây dẫn song song như vậy.

- Thao tác lên nguyên tử. Có thể dùng từ trường để tác dụng lên nguyên tử, nhưng cũng có thể dùng điện trường hoặc laze để tác dụng. Điện trường cũng như tia laze khi tác dụng lên nguyên tử sẽ gây ra lưỡng cực điện trên nguyên tử và lưỡng cực điện lại bị điện trường hoặc tia laze tác dụng. Hiện có cả xu hướng làm bẫy từ sao cho bẫy chỉ giam một nguyên tử rồi thao tác để điều khiển hoạt động của nguyên tử đó, tức là thao tác trên một nguyên tử.

- Thay đổi đường đi của nguyên tử. Nguyên tử là hạt nhưng cũng là sóng vật chất. Đường đi của nguyên tử cũng là đường truyền sóng vật chất. Nếu gặp vật chất, thí dụ gặp sóng đứng của laze, sóng nguyên tử có thể bị phản xạ một phần hoặc bị phản xạ toàn phần. Vậy một cách làm cho đường đi của nguyên tử bị rẽ nhánh hoặc bị phản xạ là dùng laze tạo thành sóng đứng trên đường đi của nguyên tử.

Sau đây ta xét một thí dụ về chip nguyên tử gọi là máy giao thoa nguyên tử mà Cornell (một trong ba nhà khoa học được giải Nobel vật lý năm 2001) từ năm 2004 đã chỉ đạo cho những người cộng tác thực hiện. Chip nguyên tử này giữ chức năng một máy giao thoa nguyên tử.

Chip nguyên tử làm chức năng máy giao thoa.

Có lẽ vài chục năm trước đây ít ai nghĩ rằng có thể tạo ra được ngưng tụ Bose - Einstein và chất ngưng tụ này lại hứa hẹn có nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ. Bản thân Einstein ở giai đoạn sáng tạo nhất 100 năm trước đây chưa sử dụng máy tính, may lắm là có thước tính lôga. Cho đến lúc ông mất, năm 1955, chip điện tử cũng còn rất xa lạ. Thế mà đến năm 2005, những bộ óc vào loại thông minh nhất mới tập trung tìm hiểu kỹ hơn cách ứng dụng các công trình của ông, mới thấy được ý tưởng về ngưng tụ Bose - Einstein không phải chỉ thuộc phạm vi vật lý cơ bản nữa mà là cơ sở cho công nghệ làm chip nguyên tử, một công nghệ phục vụ đời sống ở thế kỷ XXI.