Các nhà vật lý tạo ra một dạng ánh sáng mới

Các nhà khoa học từ MIT, Harvard và các nơi khác đã chứng minh rằng thực sự có thể tạo ra các hạt photon để tương tác – một thành tựu mở ra hướng sử dụng photon trong tính toán lượng tử. Nguồn: MIT

Hãy thử thực hiện nhanh một thí nghiệm: bật hai đèn chớp trong phòng tối và để chúng giao nhau. Liệu có điều gì đặc biệt xảy ra không? Câu trả lời tối giản nhất là có thể là không. Bởi những photon riêng biệt tạo ra ánh sáng sẽ không tương tác với nhau. Thay vào đó, chúng chỉ đơn giản là vượt qua nhau giống như những linh hồn thờ ơ trong đêm đen.

Nhưng nếu chúng ta tạo ra những hạt ánh sáng có thể tương tác, hút hoặc đẩy nhau như các nguyên tử trong vật chất thông thường? Một khả năng kỳ diệu, mang hơi hướng khoa học viễn tưởng: những thanh gươm ánh sáng – các chùm sáng có thể kéo và đẩy nhau, tạo ra những cuộc đối đầu chói mắt và hùng vĩ. Hoặc, một kịch bản có thể dễ tưởng tượng hơn là hai chùm sáng có thể gặp nhau và hợp thành một luồng sáng duy nhất.

Có vẻ như trạng thái về quang học như vậy của các hạt photon có thể sẽ “bẻ cong” các quy tắc vật lý nhưng trong thực tế, các nhà khoa học từ MIT, Harvard và các nơi khác đã chứng minh rằng thực sự có thể tạo ra các hạt photon có tương tác – một thành tựu mở ra hướng sử dụng photon trong tính toán lượng tử.

Theo một bài báo đăng trên Science, nhóm nghiên cứu do Vladan Vuletic, GS Lester Wolfe về vật lý và GS Mikhail Lukin tại MIT dẫn dắt, công bố rằng họ đã quan sát được các nhóm gồm ba hạt photon tương tác và kết hợp với nhau để tạo ra một dạng vật chất photon hoàn toàn mới.

Trong các thí nghiệm được điều khiển, các nhà nghiên cứu đã phát hiện rằng khi họ chiếu một chùm tia laser cực yếu qua một đám mây dày đặc các nguyên tử rubidium ở trạng thái siêu lạnh, thay vì tồn tại trong đám mây như các photon đơn lẻ ngẫu nhiên mà chúng ta vẫn biết, các photon đã liên kết với nhau theo cặp hai hoặc ba photon, nó dẫn đến một vài loại tương tác – trong trường hợp này là lực hấp dẫn – được tạo ra tại chỗ giữa các hạt.

Trong khi thông thường các hạt photon không có khối lượng và đi chuyển 300.000 km mỗi giây (tốc độ ánh sáng), các nhà nghiên cứu phát hiện, trên thực tế thì sự liên kết giữa các photon đã đem lại cho chúng một phần khối lượng của electron. Những hạt ánh sáng mang khối lượng mới này đã di chuyển chậm chạp hơn và di chuyển chậm hơn 100.000 lần so với các hạt photon thông thường không tương tác

Vuletic nói rằng kết quả này cho thấy, các photon có thể có [lực] hấp dẫn, hoặc ở trạng thái rối với nhau. Nếu có thể tạo ra tương tác photon theo những cách khác, chúng ta có thể khai thác các photon để thực hiện những tính toán lượng tử phức tạp với tốc độ siêu nhanh.

“Trong hàng thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã mơ ước về việc tạo ra tương tác của các hạt photon đơn lẻ này”, Vuletic cho biết.

Đồng tác giả với Vuletic trong công trình này là Qi-Yung Liang, Sergio Cantu và Travis Nicholson (MIT), Lukin và Aditya Venkatramani (trường Harvard), Michael Gullans và Alexey Gorshkov (trường đại học Maryland), Jeff Thompson (trường đại học Princeton) và Cheng Ching (trường đại học Chicago).

Lớn và lớn hơn nữa

Vuletic và Lukin phụ trách Trung tâm liên kết MIT- Harvard về các nguyên tử siêu lạnh, họ đã tìm kiếm các cách thức về cả lý thuyết và thực nghiệm, để thúc đẩy tương tác giữa photon. Vào năm 2013, nhóm nghiên cứu lần đầu tiên quan sát được các cặp photon tương tác và kết lại với nhau, tạo ra một trạng thái hoàn toàn mới của vật chất.

Trong công trình mới này, họ cân nhắc rằng liệu có thể tạo ra tương tác giữa không chỉ 2 photon mà còn nhiều hơn nữa hay không. Vuletic nói: “Ví dụ bạn có thể kết hợp nhiều phân tử oxy để hình thành O2 và O3 (ozone) không chỉ O4 và một số phân tử mà bạn không thể tạo ra phân tử gồm ba hạt cơ bản hay không. Vì vậy có thể có một câu hỏi mở: bạn có thể cho thêm nhiều hạt photon vào một phân tử để tạo ra những thứ lớn hơn nữa không?”

Để tìm câu trả lời, nhóm nghiên cứu đã dùng cách tiếp cận bằng phương pháp thực nghiệm giống họ đã dùng để quan sát tương tác của 2 photon: quá trình bắt đầu bằng việc làm lạnh một đám mây nguyên tử rubidium tới nhiệt độ siêu lạnh, chỉ 1 phần triệu của nhiệt độ gần độ 0 tuyệt đối. Việc làm lạnh các nguyên tử khiến chúng chuyển động chậm đến mức gần như dừng lại.  Xuyên qua đám mây các nguyên tử bất động này, các nhà nghiên cứu chiếu một chùm tia laser cực yếu – yếu tới mức chỉ có một số ít các photon đi qua đám mây tại một thời điểm nhất định.

Sau đó các nhà nghiên cứu đo đạc số photon đã đi xuyên đám mây nguyên tử. Trong thí nghiệm mới nhất, họ đã tìm thấy các photon luôn chảy thành dòng theo cặp gồm hai hoặc ba hạt thay vì thoát khỏi đám mây ở các khoảng ngẫu nhiên như photon đơn lẻ không kết nối với nhau.

Để dò thêm số lượng và tốc độ của các photon, nhóm nghiên cứu đã đo đạc pha trước và sau khi di chuyển qua đám mây nguyên tử của các hạt photon. Pha của một hạt photon cho thấy tần suất dao động tự do của chúng.

Vuletic giải thích: “Pha này cho chúng ta biết chúng tương tác mạnh như thế nào, và pha càng lớn có nghĩa là chúng liên kết càng mạnh với nhau”. Nhóm nghiên cứu quan sát thấy các hạt gồm ba photon thoát ra khỏi đám mây hạt nhân cùng lúc, pha của chúng đã di chuyển so với chính các hạt photon không tương tác, và lớn hơn ba lần so với pha di chuyển của các phân tử gồm hai hạt photon. “Điều đó có nghĩa là những photon này không chỉ gồm từng photon tương tác độc lập mà về tổng thể thì chúng tương tác với nhau một cách mạnh mẽ.”

Các cuộc đụng độ đáng nhớ

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã phát triển một giả thuyết để giải thích nguyên nhân dẫn đến sự tương tác của các photon tại điểm đầu tiên. Được xây dựng trên các nguyên tắc vật lý, mô hình của họ đã đưa ra một kịch bản: Khi một photon đơn lẻ đi qua đám mây nguyên tử rubidium, nó gần như đáp xuống nguyên tử gần đó trước khi nhảy sang nguyên tử khác, giống như con ong đậu vào giữa các bông hoa, cho tới khi photon đó đến điểm cuối khác.

Nếu một photon khác di chuyển cùng lúc qua đám mây, nó cũng có thể kết hợp với nguyên tử rubidium nhiều lần để tạo ra polariton – một loại giả hạt (quasiparticle) lai giữa nguyên tử và photon. Sau đó hai polariton có thể tương tác với nhau qua thành phần nguyên tử của nó. Ở phần rìa đám mây, các nguyên tử ở lại trong khi các photon thoát ra nhưng chúng vẫn liên kết với nhau. Các nhà nghiên cứu thấy hiện tượng tương tự này có thể xảy ra với 3 photon và tạo ra một liên kết còn mạnh hơn những tương tác giữa 2 photon.

Vuletic nói: “Điều thú vị là những vật chất gồm ba hạt photon hình thành ở khắp mọi nơi. Chúng ta vẫn chưa rõ là liệu chúng có liên kết một cách cân bằng, hay mạnh hơn so với các cặp hai photon.”

Toàn bộ tương tác này trong đám mây nguyên tử chỉ xảy ra trong 1 phần triệu giây. Và chính tương tác này kích hoạt photon để duy trì sự liên kết với nhau, ngay cả khi chúng đã rời khỏi đám mây. Sergio Cantu (MIT) – đồng tác giả của Vuletic nói: “Nói một cách ngắn gọn là khi photon đi qua vật trung gian này, chúng sẽ “nhớ” bất kỳ điều gì xảy ra ở môi trường trung gian.”

Điều đó có nghĩa là các photon tương tác với nhau, lực hấp dẫn giữa chúng, có thể coi là tương tác mạnh, hay trạng thái rối – một thuộc tính quan trọng cho bất kỳ bit tính toán lượng tử nào.

Vuletic nói: “Các photon có thể di chuyển rất nhanh qua những khoảng cách dài, và con người đã dùng ánh sáng để truyền tải thông tin, ví dụ như cáp quang. Nếu các photon có thể ảnh hưởng lẫn nhau, và nếu bạn có thể tạo trạng thái rối cho các photon này (chúng ta đã làm được điều đó), bạn có thể dùng chúng để phân phối thông tin lượng tử một cách thú vị và hữu ích.”

Xa hơn nữa, nhóm nghiên cứu sẽ tìm cách để cưỡng bức tạo ra các tương tác khác như lực đẩy – nơi các photon có thể sẽ rời xa nhau như các quả bóng billiard.

Vuletic nói: “Nó hoàn toàn mới lạ theo nghĩa thi thoảng chúng ta thậm chí còn không thể biết mình chờ đợi cái gì. Với lực đẩy của các photon, có thể chúng tạo ra khuôn mẫu đều đặn như tinh thể ánh sáng? Hoặc một điều gì khác sẽ xảy ra? Đây là địa phận chưa từng được khám phá.”

Thanh Trúc dịch

TS. Ngô Đức Thế (Trung tâm Hiển vi Điện tử, Đại học Manchester, Vương quốc Anh) hiệu đính

Nguồn: http://news.mit.edu/2018/physicists-create-new-form-light-0215