Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vừa thực hiện một bước tiến mang tính đột phá trong vật lý hiện đại khi lần đầu tiên chụp được hình ảnh trực tiếp của các nguyên tử “trôi nổi tự do” trong không gian.
Kỹ thuật chụp ảnh nguyên tử chưa từng có tiền lệ
Để hiện thực hóa kỳ tích này, nhóm nghiên cứu tại MIT đã phát triển một hệ thống kính hiển vi phân giải nguyên tử có thể ghi lại các hình ảnh sống động của những nguyên tử đang tương tác trong không gian mở.Khác với các phương pháp truyền thống vốn đòi hỏi nguyên tử phải bị cố định trong các “bẫy quang học”, kỹ thuật mới cho phép các nguyên tử tự do di chuyển và tương tác tự nhiên như trong môi trường thực tế.
Cách tiếp cận của nhóm nghiên cứu gồm hai giai đoạn then chốt. Đầu tiên, họ để các nguyên tử tự do di chuyển và tương tác trong không gian.
Sau đó, trong một phần nhỏ của giây, một mạng lưới ánh sáng được kích hoạt để “đóng băng” trạng thái hiện tại của các nguyên tử. Đồng thời, một hệ thống laser thứ hai được sử dụng để chiếu sáng và ghi lại hình ảnh các nguyên tử tại đúng thời điểm đó – trước khi chúng tiếp tục chuyển động.
Chính nhờ phương pháp này, lần đầu tiên các nhà khoa học có thể “bắt giữ” được khoảnh khắc mà các nguyên tử đang tương tác một cách tự nhiên, phản ánh chân thực mối tương quan lượng tử mà trước đây chỉ có thể suy luận qua công thức toán học.
Quan sát trực tiếp thế giới lượng tử: Boson và Fermion hiện hình
Trong thí nghiệm, nhóm đã sử dụng hai loại khí nguyên tử: natri (boson) và liti (fermion). Các boson như natri có khả năng chia sẻ cùng một trạng thái lượng tử, nghĩa là chúng có thể hợp nhất thành một sóng lượng tử duy nhất, tương tự như hiện tượng ngưng tụ Bose-Einstein.Ngược lại, các fermion như liti lại tuân thủ nguyên lý Pauli, chỉ cho phép mỗi hạt chiếm một trạng thái lượng tử duy nhất, điều này khiến chúng có hành vi phức tạp hơn nhiều, như việc tạo thành các cặp tương tự như electron trong các chất siêu dẫn.
Chia sẻ về phát hiện đặc biệt này, Giáo sư Martin Zwierlein – tác giả chính của nghiên cứu – nhấn mạnh: “Chúng ta có thể nhìn thấy từng nguyên tử riêng lẻ trong những đám mây nguyên tử thú vị này và cách chúng liên kết với nhau. Điều đó thật tuyệt vời”.
Cảm xúc của ông cũng là sự phản ánh của cả cộng đồng vật lý học, vốn lâu nay chỉ có thể dự đoán các hành vi này qua các mô phỏng trừu tượng.
Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu đã quan sát được hiện tượng “ghép cặp” trong các fermion – điều từng được giả định là nền tảng của các chất siêu dẫn nhưng chưa bao giờ được chứng minh trực tiếp bằng hình ảnh.
rợ lý giáo sư Richard Fletcher, đồng tác giả nghiên cứu, bày tỏ: “Kiểu ghép nối này là một phần trong cấu trúc toán học để giải thích thí nghiệm, nhưng khi bạn nhìn thấy chúng trong một bức ảnh – vật thể đó đang hiện diện trước mắt, thì vật lý trở nên chân thực hơn bao giờ hết. Nó thực sự là có thật”.
Sự kiện lần này tại MIT không chỉ mang ý nghĩa là một thành tựu công nghệ, mà còn là một lời khẳng định mạnh mẽ: thế giới lượng tử tuy vi mô nhưng hoàn toàn có thể chạm đến, nhìn thấy và thậm chí điều khiển.
Hướng đến những hiện tượng lượng tử bí ẩn hơn
Sau thành công bước đầu, nhóm nghiên cứu MIT không có ý định dừng lại.Họ đang lên kế hoạch sử dụng cùng phương pháp để tiếp cận các hiện tượng lượng tử kỳ lạ hơn, chẳng hạn như hiệu ứng Hall lượng tử, một hiện tượng còn nhiều ẩn số trong vật lý hiện đại.
Đây là các hiện tượng xảy ra khi các hạt tương tác mạnh mẽ trong điều kiện từ trường cực mạnh, dẫn đến các trạng thái vật chất mới hoàn toàn chưa từng được biết đến.
Với khả năng quan sát trực tiếp các nguyên tử trong điều kiện thực tế, giới vật lý kỳ vọng có thể tiến gần hơn đến việc kiểm chứng các giả thuyết vốn từng chỉ tồn tại trên giấy.
Việc hình ảnh hóa các trạng thái lượng tử như vậy không chỉ giúp khẳng định các mô hình lý thuyết mà còn có thể dẫn đến sự phát triển của các vật liệu mới, bao gồm chất siêu dẫn nhiệt độ cao, máy tính lượng tử hoặc cảm biến lượng tử siêu nhạy.
Kết tinh của công nghệ, toán học và sự tò mò khoa học
Nghiên cứu mang tính đột phá này là kết quả của sự hợp tác giữa các nhà nghiên cứu sau đại học Ruixiao Yao, Sungjae Chi và Mingxuan Wang, dưới sự dẫn dắt của Giáo sư Zwierlein và Trợ lý Giáo sư Fletcher.Công trình đã được công bố chính thức trên tạp chí Physical Review Letters – một trong những ấn phẩm khoa học uy tín hàng đầu trong lĩnh vực vật lý.
Đáng chú ý, cùng kỳ phát hành, tạp chí này cũng giới thiệu những kết quả tương tự từ các nhóm nghiên cứu độc lập khác, cho thấy sự bùng nổ toàn cầu về các kỹ thuật quan sát lượng tử tiên tiến.
Từ những bức ảnh đầu tiên về nguyên tử trôi nổi, vật lý hiện đại một lần nữa khẳng định rằng ngay cả những điều kỳ lạ nhất, từ trạng thái ngưng tụ lượng tử cho tới các cặp hạt siêu dẫn đều là một phần hiện thực có thể quan sát được.
Và trong tương lai, nhờ những tiến bộ như thế này, con người có thể mở ra những ứng dụng mới chưa từng nghĩ tới, từ công nghệ lượng tử, đến hiểu biết sâu sắc hơn về bản chất của vũ trụ mà chúng ta đang sống.
