Trung Quốc đạt thành tựu làm rung chuyển ngành vật lý, chuyên gia Mỹ thừa nhận xếp sau

Các nhà khoa học Trung Quốc đã làm lạnh nguyên tử trên trạm vũ trụ Thiên Cung xuống mức thấp nhất từng được ghi nhận, vượt qua các kỷ lục trước đó của Mỹ và Đức. Thành tựu này mở ra triển vọng phát triển các cảm biến không gian có độ chính xác cực cao, phục vụ tìm kiếm khoáng sản, theo dõi biến đổi khí hậu và kiểm chứng thuyết tương đối rộng của Einstein.

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Bắc Kinh và Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã đưa hàng nghìn nguyên tử rubidi, tập trung trong một đám mây nhỏ hơn hạt cát, xuống mức nhiệt thấp hơn 10 phần nghìn tỷ độ C so với độ không tuyệt đối. Kết quả được công bố trên tạp chí Science ngày 6/11.

Mức nhiệt này lạnh hơn khoảng 4 lần so với kỷ lục trước đó được thiết lập trong tháp thả rơi tại Đức, đồng thời thấp hơn mọi mức nhiệt từng đạt được trong Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh của NASA trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS). Đám mây nguyên tử duy trì trạng thái ổn định trong 7 giây, lâu hơn đáng kể so với 2 giây tại tháp thả rơi và khoảng 1 giây trên ISS.

Nick Bigelow, nhà vật lý tại Đại học Rochester, người từng dẫn dắt các thí nghiệm tại phòng thí nghiệm của NASA, đánh giá đây là kết quả rất đáng chú ý. Ông cho biết nhóm nghiên cứu của mình gần đây cũng đã làm lạnh nguyên tử xuống khoảng 15 phần nghìn tỷ độ, nhưng kết quả chưa được công bố. Vì vậy, thành tựu của Trung Quốc vẫn giữ vị trí dẫn đầu.

Ernst Rasel, nhà khoa học tại Đại học Leibniz Hannover, người đứng đầu nhóm từng lập kỷ lục trước đó, xác nhận thí nghiệm do Chen Xuzong thuộc Đại học Bắc Kinh dẫn dắt đã thiết lập kỷ lục mới về cả mức nhiệt thấp nhất và thời gian quan sát khí lượng tử trong trạng thái rơi tự do.

Ông cho rằng loại khí này có thể trở thành nguồn vật chất quan trọng cho các cảm biến lượng tử, với nhiều ứng dụng trong vật lý cơ bản và quan sát Trái Đất.

Các nhà khoa học đã dành nhiều thập kỷ tìm cách đưa vật chất đến gần độ không tuyệt đối – giới hạn thấp nhất của thang nhiệt độ. Khi được làm lạnh sâu, nguyên tử chuyển động chậm hơn, giúp việc quan sát và nghiên cứu chúng trở nên dễ dàng hơn.

Ban đầu, các nhà nghiên cứu sử dụng những chùm ánh sáng chiếu từ nhiều hướng để làm chậm và giữ các hạt tại chỗ. Khi nhiệt độ tiếp tục giảm, một hiện tượng đặc biệt xuất hiện: các nguyên tử không còn hoạt động riêng lẻ mà chuyển động đồng bộ như một "siêu nguyên tử" khổng lồ. Trạng thái này được gọi là ngưng tụ Bose-Einstein, lần đầu tiên được tạo ra năm 1995 và góp phần mang lại giải Nobel Vật lý.

Hiện tượng này giúp các nhà khoa học quan sát những đặc tính của thế giới lượng tử. Tuy nhiên, trên Trái Đất, lực hấp dẫn kéo các nguyên tử siêu lạnh xuống, buộc nhà nghiên cứu phải giữ chúng trong những chiếc bẫy chặt hơn, qua đó hạn chế thời gian quan sát.

Các tháp thả rơi và tên lửa chỉ tạo được môi trường rơi tự do trong vài giây. Trong khi đó, trên quỹ đạo, các nguyên tử có thể lơ lửng lâu hơn, biến không gian thành môi trường lý tưởng cho những thí nghiệm như vậy.

Trên trạm Thiên Cung, nhóm nghiên cứu Trung Quốc trước tiên làm lạnh khoảng 2 triệu nguyên tử rubidi trong một bẫy laser hẹp cho đến khi chúng hình thành trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein. Sau đó, nhóm chuyển đám mây nguyên tử sang một bẫy rộng hơn và giảm cường độ ánh sáng, giúp các hạt chậm lại gần như đứng yên.

Điểm khác biệt so với các thí nghiệm trước đây của Đức và NASA là hệ thống của Trung Quốc chỉ sử dụng laser để giữ nguyên tử, thay vì kết hợp với nam châm.

Theo ông Rasel, thiết kế này có thể hoạt động với nhiều nguyên tố hơn, mở ra khả năng phát triển đồng hồ có độ chính xác cao nhất thế giới và các thiết bị phát hiện những gợn sóng trong không-thời gian.

Chỉ một phần nhỏ nguyên tử sống sót sau quá trình làm lạnh. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cho biết có thể tăng số lượng này trong các lần thử nghiệm tiếp theo bằng cách sử dụng bẫy laser có kích thước điều chỉnh được. Đây là yếu tố quan trọng bởi cảm biến lượng tử hoạt động hiệu quả hơn khi có số lượng nguyên tử lớn.

Nhóm của ông Rasel đang hướng tới phát triển cảm biến trọng lực từ các nguyên tử siêu lạnh, có thể hoạt động lâu hơn nhiều trên quỹ đạo. Các nhà khoa học hy vọng sớm thử nghiệm ý tưởng này trên một thiết bị mới dự kiến được đưa lên ISS.