Thấy nhờ siêu dẫn

Chúng tôi tóm được bài “Seeing with Supercouductors” của tác giả Kent D. Irwin đăng ở tạp chí Scientific American số tháng 11-2006 với mục đích giới thiệu cùng bạn đọc Vật lý ngày nay những thành tựu mới nhất dùng siêu dẫn làm đêtectơ photon nhạy gấp 10 đến 100 lần các đêtectơ photon bán dẫn hiện nay, có ứng dụng rộng rãi từ thăm dò phóng xạ, phân tích vi mạch cho đến nghiên cứu bức xạ vũ trụ nền để hiểu biết chuyện xảy ra ở phần tỉ tỉ tỉ của giây sau Big Bang. Chúng tôi đặt ra các đề mục và thêm một số chú thích để bạn đọc dễ theo dõi.

1. Mắt: cảm biến photon kỳ diệu nhưng chưa phải hoàn chỉnh.

Mắt của người là một cảm biến ánh sáng kỳ diệu. Võng mạc của mắt người có nhiều phần tử ảnh (pixel – picture elemeut) hơn là ở cảm biến của máy ảnh số thông thường. Ở võng mạc có 6 triệu tế bào hình nón cảm nhận màu sắc và hơn 100 triệu tế bào hình que để nhìn lúc sẩm tối, cảm nhận đen trắng. Mắt cực nhạy đối với ánh sáng, chỉ một photon tức là một lượng tử ánh sáng đến là đủ để kích thích một tế bào hình que phát ra tín hiệu gửi theo dây thần kinh đến não. Chỉ cần 6 tín hiệu như thế đến não là tạo được cảm giác có điểm loé sáng.

Nhưng con mắt cũng như máy ảnh số thông thường chỉ cảm nhận photon ở phạm vi hẹp của ánh sáng nhìn thấy, tần số của từng photon là không cảm nhận chính xác được. (ở mắt chỉ đối với tế bào hình nón mới cảm nhận được ba màu đỏ lục lam, mỗi màu thực ra là tổ hợp của một phạm vi tần số, ở cảm biến máy ảnh số, từng pixel chỉ nhờ có bộ lọc màu đặt ngay trên nó mới cảm nhận được màu).

Các cảm biến photon ngày nay, đặc biệt là cảm biến trên cơ sở bán dẫn đã mở rộng phạm vi tần số ra cả hai bên của tần số ánh sáng nhìn thấy. Về phía tần số thấp có cảm biến hồng ngoại, cảm biến vi ba, về phía tần số cao có cảm biến tia X, cảm biếm gama. Tuy nhiên các loại cảm biến này vẫn còn nhiều bất cập. Về phía tần số cao, như tia X, tia gama năng lượng của photon lớn, cám biến có thể ghi nhận được từng photon đến những phân giải về năng lượng không cao nên không xác định được chính xác tần số của photon. Còn đối với ánh sáng nhìn thấy cũng như về phía tần số thấp, cảm biến hiện nay chưa nhạy đến mức cảm nhận từng photon một và đặc biệt là rất mù mờ về tần số của photon. Xác định được tần số của từng photon mới là mở được cánh cửa vào thế giới thông tin của vật chất phát ra photon nhờ siêu dẫn. Nhờ đêtectơ siêu dẫn loại mới, có nhiều khả năng tiến hành những phép đo rất tinh tế, đã cải thiện rất đáng kể độ nhạy của các phép đo trong cả phổ sóng điện từ, từ sóng vô tuyến đến ánh sáng nhìn thấy cho đến tia X, tia gama.

2. Lợi ích to lớn do tính chất dễ bị phá vỡ.

Tính siêu dẫn là tính dẫn điện mà không có điện trở. Với quan niệm cổ điển thật khó tưởng tượng là điện tử chuyển động mà không có va chạm, không bị cản trở gì do đó mới có điện trở bằng không. Mãi rất lâu sau năm 1911, năm phát hiện siêu dẫn lần đầu tiên, đến năm 1957 mới có được lý thuyết lượng tử gọi là lý thuyết BCS (Bardeen, Cooper, Schrieffer) giải thích thoả đáng hiện tượng siêu dẫn.

Ý tưởng cơ bản của thuyết này là khi nhiệt độ hạ xuống thấp, các hạt photon do dao động mạng ion gây ra có thể làm cho điện tử kết đôi gọi là kết cặp Cooper. Lúc đó trong chất siêu dẫn không còn điện tử riêng lẻ chuyển động bị va chạm, bị tán xạ nữa mà chỉ có các cặp Cooper (hai điện tử kết đôi) chuyển động theo một nhịp điệu đặc biệt không va chạm nhau và cũng không va chạm với bất cứ gì khác: đó là chuyển động điện tích mà không có điện trở, tức là siêu dẫn. Đây là một hiệu ứng cơ lượng tử rất nhạy cảm, chỉ xảy ra khi nhiệt độ hạ xuống rất thấp dưới một nhiệt độ gọi là nhiệt độ tới hạn chuyển pha siêu dẫn, gọi tắt là nhiệt độ chuyển pha.

Làm lạnh vật liệu siêu dẫn tức là làm giảm dao động của các ion trong vật liệu siêu dẫn. Phải làm lạnh đến dưới nhiệt độ chuyển pha vật liệu siêu dẫn mới ở trạng thái siêu dẫn, tức là trạng thái ở đấy điện tử đều kết đôi thành các cặp Cooper.

Cần chú ý đến hai đặc điểm. Trước hết là nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn rất thấp thường chỉ vài độ trên nhiệt độ không tuyệt đối (tức là 0 Kelvin, bằng -273,13 độ Celcius hay –459,69 độ Farenheit).

Những nhiệt độ cực thấp này có thể đạt được nhờ các máy lạnh dùng hêli lỏng hoặc dùng các quá trình khử từ đoạn nhiệt. Nói chung các máy làm lạnh này có trên thị trường khoa học.

Tuy nhiên phải dùng những máy làm lạnh đắt tiền này để có trạng thái siêu dẫn là một trở ngại cho việc ứng dụng cảm biến siêu dẫn. Những năm gần đây đã có những tìm tòi làm siêu dẫn nhiệt độ cao nhưng chưa có ảnh hưởng nhiều đến việc làm lạnh cho cảm biến siêu dẫn.

Một đặc điểm nữa của siêu dẫn là sự chuyển pha siêu dẫn rất đột ngột, trên dưới nhịêt độ chuyển pha một chút là vật liệu siêu dẫn đã ở hai trạng thái hoàn toàn khác nhau: siêu dẫn và không siêu dẫn, điện trở thay đổi từ không đến một giá trị nhất định, nghĩa là biến thiên của điện trở cực lớn. Về bản chất, nguyên nhân của sự thay đổi cực lớn này là do các cặp điện tử Cooper bị phá vỡ cực nhanh. Chính các nhà khoa học đã lợi dụng tính dễ bị phá vỡ của các cặp Cooper để làm đêtectơ siêu dẫn loại mới cực nhạy.

3. Cảm biến photon nhờ siêu dẫn

Dùng siêu dẫn để làm đêtectơ photon chủ yếu là dựa trên khả năng năng lượng của một photon có thể phá vỡ hàng nghìn cặp Cooper và có thể đo kết quả làm phá vỡ này để biết được năng lượng của từng photon đến đêtectơ. Vì năng lượng của photon tỉ lệ với tần số của nó nên phép đo năng lượng từng photon cho biết tần số của từng photon và đây là chìa khoá để hiểu biết khá chi tiết vật chất từ đó phát ra photon.

Các đêtectơ bán dẫn ở nhiệt độ phòng như CCD (charge coupled device – linh kiện liên kết điện tích) thí dụ như ở máy ảnh số đều làm việc theo nguyên tắc photon của ánh sáng nhìn thấy làm cho điện tử bật khỏi các giải năng lượng ở tinh thể bán dẫn. Nhưng điện tử trong các dải này liên kết khá chặt, thông thường một photon đến chỉ bứt ra được nhiều lắm là một điện tử. Việc theo dõi điện tử bứt ra này cũng khá thô thiển nên không biết được chính xác tần số của photon. Do đó cảm biến CCD ở máy ảnh số không thể theo dõi được tần số của photon tức là không biết được màu. Thông tin về màu có được khi dùng cảm biến CCD ở máy ảnh số là nhờ hàng triệu triệu kính lọc màu hỗ trợ.

Ngược lại ở đêtectơ siêu dẫn một photon đến có thể phá vỡ hàng nghìn cặp Cooper ở siêu dẫn. Sự phá vỡ hàng nghìn cặp Cooper như vậy sinh ra hàng nghìn kích thích nhờ đó có thể lấy thông tin về năng lượng hay tần số của photon chính xác hơn nhiều. Điều này tương tự như khi thăm dò bầu cử, phỏng vấn hàng nghìn người chính xác hơn nhiều khi phỏng vấn một người.

Có hai loại đêtecter siêu dẫn cảm biến photon.

Dạng thứ nhất gọi nôm na là kiểu nhiệt, tên đầy đủ là cảm biến biên chuyển TES (Transition edge sensor).

Dạng thứ hai có tên là đêtêcter siêu dẫn kiểu cặp cooper bị phá vỡ (Pair Breaking Delector).

a. Đêtecter siêu dẫn kiểu nhiệt. ( Thermal detector)

Ở loại đêtecter này chất siêu dẫn phải làm lạnh ở nhiệt độ mấp mé nhiệt độ chuyển trạng thái. Ở nhiệt độ đó chất siêu dẫn ở trạng thái siêu dẫn, điện trở của nó bằng không. Khi có photon đến, năng lượng của photon làm chất siêu dẫn tăng nhiệt độ, phá vỡ một số cặp cooper làm cho chất siêu dẫn mất đi một phần tính siêu dẫn, tức là điện trở không hoàn toàn bằng không nữa mà có một giá trị nào đó. Trong một khoảng nhiệt độ rất nhỏ ở gần nhiệt độ chuyển trạng thái, điện trở của siêu dẫn thay đổi cực mạnh. Nhờ đó qua đo điện trở, có thể đo được sự thay đổi nhiệt độ cực nhạy của siêu dẫn, nhờ đó đo được năng lượng của photon tới. Đến đây ta hiểu được lý do tại sao gọi loại đêtectec này là biên chuyển ( transition edge) TES.

Tóm lại khi có photon đến TES, năng lượng của photon chuyển thành nhiệt làm điện trở của vật liệu siêu dẫn ở TES tăng lên và độ tăng này tỉ lệ với năng lượng tức là tần số của photon đến. Tuỳ thuộc vào vật liệu siêu dẫn TES có thể dùng làm phổ kế đối với tia X, tia gama, tử ngoại, ánh sáng nhìn thấy, hồng ngoại, sóng centimet v.v…

Thật ra đêtecter TES về nguyên tắc đã được chế tạo thử từ năm 1940 nhưng không sử dụng được.Vấn đề là chuyển pha siêu dẫn thường có bề rộng cỡ phần nghìn độ, rất khó dữ linh kiện ở nhiệt độ thấp đến mức chính xác như vậy. Hơn nữa trong các kỹ thuật mới không phải cần đến một đêtecter và là hàng dãy đêtecter cho nên giữ cho nhiệt độ của hàng loạt đêtecter cùng ở một nhiệt độ chính xác đến dưới phần nghìn độ là vô cùng khó khăn. Nhưng đến năm 1993 người ta đã tìm ra mẹo, gọi là phản hồi âm nhờ thiên áp (Voltage bias). Đó là cách tác dụng điện thế cho có dòng điện lên TES khi ở nhiệt độ chuyển pha, điện trở bằng không nên màng siêu dẫn ở TES không bị làm nóng. Khi nhiệt độ lên cao hơn mức chuyển pha quy định, siêu dẫn có điện trở khác không, mạch thiên áp làm nóng, lập tức có phản hồi âm để siêu dẫn hạ nhiệt độ đến mức quy định có điện trở bằng không. Nhờ phương pháp dùng thiên áp phản hồi âm này đã làm cho cả một hệ thống các dãy đêtecter TES cùng làm việc được từ đó việc dùng đêtecter TES phát triển mạnh trên toàn thế giới.

b. Đêtectơ cặp phá vỡ (Pair Breaking detector ).

Ở đây không dùng hiện tượng tăng điện trở khi các cặp cooper bị phá vỡ mà lại dùng cách đếm các chuẩn hạt sinh ra do các cặp Cooper phá vỡ.

Đêtectơ được làm lạnh sâu, dưới nhiệt độ chuyển pha. Khi Photon đến, nó làm phá vỡ các cặp Cooper nhưng nhiệt toả ra vẫn không đủ mức làm cho nhiệt độ siêu dẫn lên cao để siêu dẫn có điện trở,

Trong trường hợp này photon đến bẻ gãy các cặp Cooper làm phát ra các chuẩn hạt (quasiparticle). Xét theo mục tiêu đo đạc lấy tín hiệu, có thể xem các chuẩn hạt đó là các điện tử tự do ở một siêu dẫn khác, Vấn đề rất tinh tế là làm thế nào bố trí đo đếm, phân biệt được cặp Cooper còn nguyên vẹn và cặp Cooper đã bị phá vỡ sinh ra chuẩn hạt.

Có thể thực hiện sự phân biệt đó nhờ phép dùng tiếp xúc xuyên hầm siêu dẫn (Superconducting turnel junction). Đó là hai màng siêu dẫn cách nhau bằng một lớp mỏng bằng vật liệu cách điện. Lớp cách điện này dày cỡ 2 nanomet, điện tử có thể xuyên qua lớp cách điện này nhờ quá trình lượng tử gọi là xuyên hầm. Nếu ở đấy có tác dụng một từ trường rất nhỏ, từ trường không ảnh hưởng đến điện tử xuyên hầm nhưng sẽ chặn đứng không cho cặp Cooper xuyên qua.

Vậy là khi tác dụng lên hai màng một điện thế, các chuẩn hạt (xem như điện tử) xuyên hầm qua còn các cặp Cooper không xuyên qua được (do có từ trường) kết quả là khi photon đến đêtectơ, qua tiếp xúc xuyên hấm siêu dẫn có xung dòng điện tỉ lệ với số chuẩn hạt sinh ra tức là tỷ lệ với năng lượng cũng là tần số photon.

(Còn một cách đo số cặp Cooper bị phá vỡ tức là đo số chuẩn hạt phát ra bằng cách dùng linh kiện gọi là cảm ứng động năng vi sóng. Kỹ thuật này dựa trên hiện tượng cộng hưởng, đang ở giai đoạn phát triển đầy hứa hẹn).

Đêtectơ siêu dẫn cả hai loại nói trên xét đơn chiếc có nhiều ứng dụng, thí dụ dễ thấy nhất là dùng ở kỹ thuật phân tích vật liệu. Bên cạnh đó nhiều yêu cầu cao của kỹ thuật mới ngày nay đòi hỏi sử dụng không phải một vài mà nhiều đêtectơ, bố trí thành nhiều dãy dày đặc, hoạt động đồng thời kiểu như ở CCD, mỗi đêtectơ với một phần tử ảnh pixel (picture element).

Vấn đề lớn này về mặt kỹ thuật đặt ra là làm thế nào nối các đêtectơ luôn phải giữ ở nhiệt độ cực lạnh với phần điện tử bên ngoài đi đôi với chúng ở nhiệt độ phòng.

Nếu đơn giản nối mỗi pixel (đêtectơ) với một dây dẫn điện để đưa ra ngoài thì nhiệt dẫn theo dây từ ngoài vào đủ làm phá huỷ ngay trạng thái siêu dẫn. Cách tốt nhất là bố trí một phần mạch điện tử ở ngay trong phần cực lạnh để trực tiếp lấy tín hiệu từ các pixel rồi dùng kỹ thuyật pha trộn đa hợp (multiplex) để dẫn nhiều tín hiệu ra ngoài chỉ bằng một dây rồi lại tách tín hiệu ra.

Tín hiệu từ mỗi pixel (mối đêtectơ) đi ra ở đây là một xung dòng điện rất nhỏ nên phần mạch điện tử bố trí sát với mỗi pixel là SQUID tức là linh kiện giao thoa lượng tử siêu dẫn (superconducting quantum interference device) chỉ làm việc ở nhiệt độ thấp, đo được dòng điện cực nhỏ rất nhạy.

Thực tế kỹ thuật dồn kênh đa hợp hiện nay cho phép dồn tất cả các tín hiệu từ các SQUID vào một đường dẫn để ra ngoài rồi lại tách ra rành mạch từng tín hiệu một. Nhờ đó đảm bảo được khu vực các đêtectơ (các pixel) và các SQUID rất lạnh nhưng vẫn lưu thông tín hiệu với khu vực nhiệt độ phòng ở bên ngoài mà không bị huỷ hoại do quá nhiều nhiệt từ bên ngoài dẫn vào.

Như vậy là các đêtectơ siêu dẫn kiểu nhiệt cũng như kiểu cặp Cooper phá vỡ cảm nhận cả photon và tần số của nó. Đó là những đêtectơ làm việc theo những nguyên lý rất mới so với các loại đêtectơ bán dẫn, đã nâng độ nhạy lên gấp 10 lần đến 100 lần so với đêtectơ bán dẫn. Các đêtectơ này tuy phải làm việc ở nhiệt độ rất thấp nhưng nhờ những tiến bộ của kỹ thuật làm lạnh nên vẫn được sử dụng rộng rãi trong thực tế kỹ thuật và có thể ghép lại thành hàng thành dãy để tiến hành nhiều cách chup ảnh như kiểu chụp ảnh dùng cảm biến CCD.

Chúng ta xét một số ứng dụng nổi bật hiện nay do những ưu việt của loại linh kiện mới này.

4. Nhiều ứng dụng mới

a. Ngăn ngừa vũ khí hạt nhận và an ninh nội địa

Một vấn đề rất quan trọng trong cuộc chiến chống khổng bố quy mô lớn là kiểm soát việc vận chuyển vật liệu hạt nhân qua biên giới.

Vật liệu hạt nhân luôn chứa những đồng vị không bền, thường xuyên phát ra tia X, tia gama… là những sóng điện từ bước sóng rất ngắn. Năng lượng của những photon phát ra này là vân tay của chất đồng vị phóng xạ, đo được chúng một cách chính xác là biết ngay được đúng tên của chất phóng xạ.

Có nhữg chất vẫn dùng thông thường trong đời sống có tính phóng xạ tuy là rất yếu nhưng photon gama chúng phát ra lại có năng lượng rất gần giống như năng lượng của photon gama phát ra bởi các vật liệu sử dụng làm vũ khí hạt nhân. Thí dụ vật liệu giàu uranium 235 luôn phát ra photon gama có năng lượng là 185,7 keV (kilo-electron-volt).

Năng lượng của photon gama này lại rất gần với 186,1keV là năng lượng của photon gama do chất phóng xạ rađi 226 phát ra và chất phóng xạ này có mặt trong đất sét thường dùng để trộn với nhiều chất khử mùi hút ẩm khác rất hay dùng để đổ trong hộp cho mèo nuôi ở nhà đi vệ sinh (cat litter hay kitty litter) cho khỏi hôi thối. Dọc theo biên giới của nước Mỹ có rất nhiều trạm kiểm soát để ngăn chặn việc chuyên chở vật liệu phóng xạ có nguy cơ dùng làm vũ khí hạt nhân, các trạm này rất hay phát ra báo động nhầm vì khi có xe tải chở vật liệu cat litter, máy đo không phân biệt nổi 185,7 keV với 186,1 keV nên cứ tưởng là xe tải có chở vật liệu uranium 235 đi qua. Vấn đề báo động nhầm này có tên là “Kitty problem” (Vấn đề mèo) căn nguyên là đêtectơ bán dẫn chưa đủ độ phân giải cần thiết để phân biệt.

Các nhà khoa học ở phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) cùng phòng thí nghiệm Quốc gia ở Livermore đã phát triển đêtectơ gama trên cở sở TES không những đã phân biệt rõ ràng uranium 235 và radi 226, giải quyết thấu đáo vấn đề nhầm lẫn ở “Kitty problem” mà còn phân biệt được tỉ mỉ đồng vị urani, plutoni…

b. Phân tích chip vi mạch

Phân tích bằng đầu dò điện tử là một phép phân tích nguyên tố rất quan trọng trong công nghệ chế tạo vi mạch. Ở đây người ta chiếu vào vi mạch một chùm tia điện tử thật mảnh, vừa quét để tạo ảnh hiển vi điện tủ quét, vừa phân tích năng lượng của các photon tia X phát ra để biết được các nguyên tố và thành phần của chúng tại từng điểm của vi mạch, nơi có chùm điện tử chiếu đến (X-ray microanalysis). Lâu nay đây là một công cụ để nghiên cứu, kiểm tra vi mạch rất cần thiết cho công nghệ điện tử và đêtectơ tia X vẫn dùng ở đây là đêtectơ bán dẫn.

Với khả năng tích hợp linh kiện ngày càng cao, kích thước trung bình của một linh kiện trên chip trước đây vào cỡ hàng chục micromet nay đang xuống hàng ngàn lần nhỏ hơn, chỉ vào cỡ hàng chục nanomet. Phân tích những linh kiện nhỏ hơn nhiều như vậy đòi hỏi phải có những đêtectơ nhạy hơn nhiều. Nhóm nghiên cứu ở NIST đã làm máy phân tích bằng đầu dò điện tử với đêtectơ siêu dẫn TES có năng suất phân giải về năng lượng 50 lần tốt hơn so với đêtectơ bán dẫn, hiện đã có bán trên thị trường đáp ứng yêu cầu của công nghệ cao làm các chip vi mạch hiện nay.

c. Thiên văn học dưới milimet

Nhằm nghiên cứu những sóng điện từ dưới milimet các nhà thiên văn đã xây dựng một đài thiên văn ở đảo Hawai với kính thiên văn Jame Clerk Maxwell ở đấy dùng SCUBA viết tắt của cụm từ Sub millimeter Common – User Bolometer Array có nghĩa là Dãy bolomet dùng chung cho sóng dưới milimet. Đây là dãy các đêtectơ bán dẫn nhằm chụp ảnh những miền hình thành hành tinh, sao, thiên hà theo cách ghi lại những sóng điện từ dưới milimet từ những miền đó gửi đến, đây là những sóng ngắn hơn vi sóng nhưng dài hơn sóng ánh sáng nhìn thấy.

Cho đến ngày nay với những sóng đó các nhà thiên văn chưa thu được ảnh thật tốt vì năng lượng của những photon ở phạm vi bước sóng đó là hơi nhỏ) năng lượng photon tỉ lệ nghịch với bước sóng) ít kích thích được các mức năng lượng ở bán dẫn. Tuy rằng ở SCUBA các bán dẫn ở đêtectơ đều được làm lạnh, có tất cả 128 pixel (đêtectơ) như vậy và được làm lạnh nhằm giảm nhiễu, nhưng việc ghi chụp ảnh với sóng milimet của SCUBA vẫn rất chậm chạp và kém nhạy.

Người ta đang thay thế SCUBA bằng SCUBA – 2, ở đây dùng đêtectơ siêu dẫn thay cho đêtectơ bán dẫn, cụ thể là sắp tới sẽ bố trí 10.000 đêtectơ TES thành hàng thành dãy đó là cảm biến để chụp ảnh với 10.000 pixel. Hiện nay mới làm thử một môđun với 1280 pixel.

Vì 98% photon phát ra từ thời Big Bang là photon có bước sóng dưới milimet nên vịêc đưa SCUBA-2 vào hoạt động chắc chắn sẽ cho những hiểu biết rất mới, sâu sắc hơn về vũ trụ ở thời kỳ đầu, chỉ là khoảnh khắc sau Big Bang.

d. Vũ trụ học

Trong những năm gần đây hiều biết về vũ trụ có những bước đột phá đặc biệt là sau khi có những kết quả thực nghiệm về bức xạ nền vũ trụ CMB (Cosmic Microwave Background).

Photon ở CMB cho ta bức ảnh về vũ trụ vào thời kỳ 400.000 năm sau Big Bang. Vì sau 13 tỷ năm từ đó đến nay, phần lớn các photon này vẫn tiếp tục đi vào trong vũ trụ mà hầu như không bị quấy nhiễu gì cả. Các nhà vũ trụ học cho biết các sóng âm trong plasma ở thời kỳ sơ khai của vũ trụ tạo ra hình ảnh phụ ở bức xạ nền CMB. Phép đo các hình ảnh này ở CMB kết hợp với nhiều quan sát vũ trụ khác cho thấy chỉ 5% của vũ trụ ngày nay là được tạo thành bởi vật chất thông thường với năng lượng mà chúng ta vẫn thấy quen thuộc. Khoảng 22% là chất tối và 73% là rất bí ẩn có liên quan đến chất tối.

Cùng với hình ảnh của sóng âm. Cón một hình ảnh tinh tế nữa để lại dấu vết cuả sự phân cực của bức xạ nền CMB. Đó là hình ảnh của sóng hấp dẫn sinh ra ở thời kỳ vũ trụ giãn nở lạm phát. Sự phân cực của bức xạ nền CMB là do bức xạ tán xạ lên plasma nguyên thuỷ tương tự như ánh sáng nhìn thấy khi phản xạ lên mặt gương thì bị phân cực.

Chỉ có các đêtectơ siêu dẫn mới đủ nhạy để phát hiện ra sự phân cực này. Các nhà vũ trụ thiên văn đang bố trí dùng đêtectơ siêu dẫn để nghiên cứu sự phân cực ở bức xạ nền do sóng hấp dẫn gây nên. Trước hết sẽ bố trí những kính thiên văn đặc biệt ở trên mặt đất cũng như trên các khinh khí cầu thả bay lên cao. Sau đó NASA sẽ phóng vệ tinh gọi là “Thăm dò lạm phát” (Inflatation Probe) để tiến hành những phép đo có tính quyết định về phân cực ở bức xạ nền CMB. Thành công của những phép đo, tức là có được hình ảnh của sóng hấp dẫn thời kỳ đó sẽ tạo ra được cái nhìn sâu sắc về các quy luật vật lý tác động vào thời kỳ phần tỷ tỷ tỷ của giây sau Big Bang. Đó là lúc các tương tác ở kích cỡ năng lượng mà tất cả các lực đều thống nhất làm một chỉ trừ lực hấp dẫn.

Từ thời Einstein đến nay các nhà vật lý đều ước mơ trực tiếp nghiên cứu được giai đoạn đó của “đại thống nhât” nhưng những máy gia tốc lớn nhất trên Traí đất phải tạo ra năng lượng 3 triệu lần lớn hơn mới làm được việc đó. (Máy gia tốc Large Hadron Collider (LHC) có đường hầm dài 27km, xây dựng tốn hơn 5 tỷ bảng Anh, có năng lượng rất lớn nhưng đầu tháng 9/2008 mới bắt đầu hoạt động – chú thích của người tóm lược). Các đêtectơ siêu dẫn sẽ giúp cho các nhà khoa học dùng phòng thí nghiệm của vũ trụ để làm những thí nghiệm ở những phạm vi năng lượng rất khó thực hiện bằng những phương tiện trên mặt đất.

5. Triển vọng.

Mặc dù có rất nhiều ưu việt, trong mười năm qua thế mạnh của đêtectơ siêu dẫn chưa được khai thác triêt để. Cách làm cảm biến để chụp ảnh tương tự như cảm biến CCD sẽ được đẩy mạnh trong thời gian tới. Sẽ hoàn thành các dãy quy mô lớn với đêtectơ siêu dẫn cỡ 10.000 pixel đối với sóng milimet và cỡ hàng triệu pixel đối với sóng ở dải tia X. Đi đôi với những việc này sẽ phát triển kỹ thuật đa hợp để đưa được nhiều hơn tín hiệu từ nơi lạnh sang nơi nóng ở nhiệt độ phòng với đường truyền ra chỉ là một dây.

Các kỹ sư cũng đang phát triển các máy làm lạnh sâu nhưng gọn nhẹ và rẻ để dễ phổ biến. Các dãy đêtectơ siêu dẫn cực lớn này tuy không nhiều pixel như ở võng mạc của mắt nhưng lại giúp cho mắt nhìn thấy những điều mới mẻ trong thế giới đầy rẫy những điều phải khám phá ngày nay…