Các nhà vật lí ở Mĩ vừa nghĩ ra một phương pháp thực hiện những phép đo rất chính xác của lực hấp dẫn bằng cách cho bật các nguyên tử lên xuống khỏi một chùm laser. Không giống như các kĩ thuật thả rơi các nguyên tử khoảng 10cm, phương pháp mới này chỉ yêu cầu thả rơi khoảng 20 μm. Đội nghiên cứu còn cải tiến thí nghiệm để tiến hành phép đo giao thoa nguyên tử, nhờ đó sự giao thoa lượng tử giữa các nguyên tử có thể dùng để đo những gia tốc rất nhỏ.
Vì kích thước nhỏ gọn của nó, đội nghiên cứu tin rằng kĩ thuật có thể dùng để chế tạo các gia tốc kế chính xác có thể dùng trong các hệ thống đạo hàng cho máy bay, tàu ngầm và cả phi thuyền vũ trụ. Kĩ thuật đó còn có thể sử dụng trong các thí nghiệm tìm kiếm những sai lệch khỏi định luật hấp dẫn của Newton.
Hơn hai thập niên qua, các nhà vật lí đã trở nên tinh thông ở việc bẫy và điều khiển những số lượng nhỏ nguyên tử bằng laser và trường điện từ. Giống như mọi vật chất khác, các nguyên tử này rơi xuống phía Trái đất, điều đó cho phép các nhà khoa học thực hiện những phép đo rất chính xác cách thức lực hấp dẫn tác dụng lên những vật rất nhỏ và trên những cự li tương đối ngắn.
10,000 nguyên tử cực lạnh
Kĩ thuật mới do Cass Sackett và các đồng sự tại trường Đại học Virginia ở Mĩ phát triển, họ đã bắt đầu thí nghiệm của mình với một tập hợp khoảng 10.000 nguyên tử rubidium-87 đã được làm lạnh tới nhiệt độ micro-Kelvin. Việc sử dụng các nguyên tử cực lạnh như thế thật quan trọng vì chúng ít năng lượng nhiệt và do đó gần như không còn chuyển động khi chúng bắt đầu rơi vào trong một buồng chân không (arXiv:0902.0109).
Ban đầu được giữ bằng từ trường, các nguyên tử rơi xuống khi từ trường tắt đi. Khi chúng rơi xuống, đa số các nguyên tử va chạm với các photon phát ra bởi một diode laser đặt ngay bên dưới bẫy, chúng phát ra các xung ánh sáng hướng thẳng lên trên khoảng một xung mỗi 2 ms. Khi các nguyên tử va chạm, mỗi nguyên tử nhận được đúng một xung lượng chính xác, đánh bật chúng trở lại. Các nguyên tử này sau đó rơi trở xuống lần nữa, vừa đủ để va chạm với xung laser tiếp theo.
Nếu màu sắc của ánh sáng laser và tần số của các xung được thiết đặt thích hợp, thì các nguyên tử sẽ được đưa vào phản xạ và gia tốc do hấp dẫn có thể suy ra từ các thông số thực nghiệm và hằng số Planck. Đội nghiên cứu đã duy trì được sự phản xạ này trong khoảng 100 chu trình, theo lời họ như thế là tương đương với việc thả rơi các nguyên tử khoảng 2 cm trong một thí nghiệm chuẩn bình thường. Sau khi hiệu chỉnh ảnh hưởng của từ trường tản lạc lên các spin nguyên tử, đội nghiên cứu thu được một giá trị hằng số hấp dẫn bằng 9.814 ± 0.008 m/s2, phù hợp với giá trị mong đợi.
“Kĩ thuật của chúng tôi mang lại một phương pháp áp dụng một lực đã được biết rất tốt cho các nguyên tử”, Sackett giải thích. “Khi biết lực cần thiết để cân bằng lực hấp dẫn, chúng ta thu được một số đo chính xác của lực hấp dẫn”, ông thêm.
Mark Kasevich ở trường Đại học Stanford, người đã đi tiên phong sử dụng các nguyên tử cực lạnh để đo lực hấp dẫn, phát biểu với physicsworld.com: “Đúng là một bài báo hay – nó cho thấy chắc chắn rằng việc theo đuổi những thí nghiệm đẩy xa hơn nữa các giới hạn độ nhạy sẽ thật hấp dẫn”.
Sẽ cải tiến thêm
Sackett phát biểu với physicsworld.com rằng đội của ông đang có kế hoạch cải thiện độ chính xác của phương pháp bằng cách đưa các nguyên tử vào mộtt rh không nhạy với từ trường. Đội cũng còn có kế hoạch giảm số nguyên tử bị thất thoát trong thí nghiệm – hiện nay là khoảng 0,1% mỗi lần bật trở lại. Sackett tin rằng điều này có thể thực hiện bằng cách cải thiện sự điều khiển của họ đối với cường độ của các xung laser.
Đội nghiên cứu cũng đã đưa ra một phương pháp sử dụng các nguyên tử để thực hiện phép đo giao thoa nguyên tử. Nếu các nguyên tử được gửi dọc theo những lộ trình khác nhau rồi sau đó kết hợp lại tại detector, hình ảnh vân giao thoa thu được phụ thuộc vào bất kì sự chênh lệch nào ở gia tốc mà các nguyên tử chịu. Nếu chế tạo tích hợp với một dụng cụ di động, các gia tốc kế kiểu như vậy có thể dùng làm bộ phận của các thiết bị đạo hàng chính xác cao có thể hoạt động độc lập của các hệ thống GPS – khiến chúng thật hấp dẫn đối với tàu ngầm và các ứng dụng quân sự khác.
Mặc dù kĩ thuật này mang lại một giá trị kém chính xác hơn cho gia tốc hấp dẫn so với chỉ cho bật phản xạ một lộ trình, nhưng đội nghiên cứu tin rằng họ có thể cải thiện độ chính xác đó lên chừng một chục lần.
Hơi mất cân bằng
Đối với giao thoa kế, cơ cấu hiện nay bị hạn chế bởi một sự hơi mất cân bằng giữa các lực tác dụng lên hai nhóm nguyên tử - và Sackett nói rằng việc cải thiện sự mất cân bằng này là có thể, nhưng sẽ khó thực hiện.
Sackett tin rằng một ứng dụng sớm của công nghệ này có thể là trong các phương tiện hỗ trợ đạo hàng dùng cho xe quân sự, tàu hải dương và máy bay. Một dụng cụ như vật sẽ giữ vết vị trí của nó bằng cách theo dõi gia tốc của nó – không cần một tín hiệu GPS, cái có thể bị nhiễu.
Những dụng cụ như vậy cũng có thể dùng trong thăm dò dầu mỏ và khoáng sản, Sackett nói, vì họ đủ nhỏ để hạ xuống vào các lỗ khoan để đo tỉ trọng của đất đá là hàm của chiều sâu.
Trong tương lai, Sackett tin rằng kĩ thuật này có thể dùng để thực hiện những phép đo rất chính xác của lực hấp dẫn trên những thang chiều dài rất ngắn – chúng có thể tiết lộ những sai lệch khỏi định luật hấp dẫn Newton như một số lí thuyết của ngành vật lí hạt đã tiên đoán. Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng ngay cả việc cho phản xạ trên một vài micromet cũng có thể là một khoảng cách quá lớn đối với những những phép đo như vậy
Vì kích thước nhỏ gọn của nó, đội nghiên cứu tin rằng kĩ thuật có thể dùng để chế tạo các gia tốc kế chính xác có thể dùng trong các hệ thống đạo hàng cho máy bay, tàu ngầm và cả phi thuyền vũ trụ. Kĩ thuật đó còn có thể sử dụng trong các thí nghiệm tìm kiếm những sai lệch khỏi định luật hấp dẫn của Newton.
Hơn hai thập niên qua, các nhà vật lí đã trở nên tinh thông ở việc bẫy và điều khiển những số lượng nhỏ nguyên tử bằng laser và trường điện từ. Giống như mọi vật chất khác, các nguyên tử này rơi xuống phía Trái đất, điều đó cho phép các nhà khoa học thực hiện những phép đo rất chính xác cách thức lực hấp dẫn tác dụng lên những vật rất nhỏ và trên những cự li tương đối ngắn.
10,000 nguyên tử cực lạnh
Kĩ thuật mới do Cass Sackett và các đồng sự tại trường Đại học Virginia ở Mĩ phát triển, họ đã bắt đầu thí nghiệm của mình với một tập hợp khoảng 10.000 nguyên tử rubidium-87 đã được làm lạnh tới nhiệt độ micro-Kelvin. Việc sử dụng các nguyên tử cực lạnh như thế thật quan trọng vì chúng ít năng lượng nhiệt và do đó gần như không còn chuyển động khi chúng bắt đầu rơi vào trong một buồng chân không (arXiv:0902.0109).
Ban đầu được giữ bằng từ trường, các nguyên tử rơi xuống khi từ trường tắt đi. Khi chúng rơi xuống, đa số các nguyên tử va chạm với các photon phát ra bởi một diode laser đặt ngay bên dưới bẫy, chúng phát ra các xung ánh sáng hướng thẳng lên trên khoảng một xung mỗi 2 ms. Khi các nguyên tử va chạm, mỗi nguyên tử nhận được đúng một xung lượng chính xác, đánh bật chúng trở lại. Các nguyên tử này sau đó rơi trở xuống lần nữa, vừa đủ để va chạm với xung laser tiếp theo.
Nếu màu sắc của ánh sáng laser và tần số của các xung được thiết đặt thích hợp, thì các nguyên tử sẽ được đưa vào phản xạ và gia tốc do hấp dẫn có thể suy ra từ các thông số thực nghiệm và hằng số Planck. Đội nghiên cứu đã duy trì được sự phản xạ này trong khoảng 100 chu trình, theo lời họ như thế là tương đương với việc thả rơi các nguyên tử khoảng 2 cm trong một thí nghiệm chuẩn bình thường. Sau khi hiệu chỉnh ảnh hưởng của từ trường tản lạc lên các spin nguyên tử, đội nghiên cứu thu được một giá trị hằng số hấp dẫn bằng 9.814 ± 0.008 m/s2, phù hợp với giá trị mong đợi.
“Kĩ thuật của chúng tôi mang lại một phương pháp áp dụng một lực đã được biết rất tốt cho các nguyên tử”, Sackett giải thích. “Khi biết lực cần thiết để cân bằng lực hấp dẫn, chúng ta thu được một số đo chính xác của lực hấp dẫn”, ông thêm.
Mark Kasevich ở trường Đại học Stanford, người đã đi tiên phong sử dụng các nguyên tử cực lạnh để đo lực hấp dẫn, phát biểu với physicsworld.com: “Đúng là một bài báo hay – nó cho thấy chắc chắn rằng việc theo đuổi những thí nghiệm đẩy xa hơn nữa các giới hạn độ nhạy sẽ thật hấp dẫn”.
Sẽ cải tiến thêm
Sackett phát biểu với physicsworld.com rằng đội của ông đang có kế hoạch cải thiện độ chính xác của phương pháp bằng cách đưa các nguyên tử vào mộtt rh không nhạy với từ trường. Đội cũng còn có kế hoạch giảm số nguyên tử bị thất thoát trong thí nghiệm – hiện nay là khoảng 0,1% mỗi lần bật trở lại. Sackett tin rằng điều này có thể thực hiện bằng cách cải thiện sự điều khiển của họ đối với cường độ của các xung laser.
Đội nghiên cứu cũng đã đưa ra một phương pháp sử dụng các nguyên tử để thực hiện phép đo giao thoa nguyên tử. Nếu các nguyên tử được gửi dọc theo những lộ trình khác nhau rồi sau đó kết hợp lại tại detector, hình ảnh vân giao thoa thu được phụ thuộc vào bất kì sự chênh lệch nào ở gia tốc mà các nguyên tử chịu. Nếu chế tạo tích hợp với một dụng cụ di động, các gia tốc kế kiểu như vậy có thể dùng làm bộ phận của các thiết bị đạo hàng chính xác cao có thể hoạt động độc lập của các hệ thống GPS – khiến chúng thật hấp dẫn đối với tàu ngầm và các ứng dụng quân sự khác.
Mặc dù kĩ thuật này mang lại một giá trị kém chính xác hơn cho gia tốc hấp dẫn so với chỉ cho bật phản xạ một lộ trình, nhưng đội nghiên cứu tin rằng họ có thể cải thiện độ chính xác đó lên chừng một chục lần.
Hơi mất cân bằng
Đối với giao thoa kế, cơ cấu hiện nay bị hạn chế bởi một sự hơi mất cân bằng giữa các lực tác dụng lên hai nhóm nguyên tử - và Sackett nói rằng việc cải thiện sự mất cân bằng này là có thể, nhưng sẽ khó thực hiện.
Sackett tin rằng một ứng dụng sớm của công nghệ này có thể là trong các phương tiện hỗ trợ đạo hàng dùng cho xe quân sự, tàu hải dương và máy bay. Một dụng cụ như vật sẽ giữ vết vị trí của nó bằng cách theo dõi gia tốc của nó – không cần một tín hiệu GPS, cái có thể bị nhiễu.
Những dụng cụ như vậy cũng có thể dùng trong thăm dò dầu mỏ và khoáng sản, Sackett nói, vì họ đủ nhỏ để hạ xuống vào các lỗ khoan để đo tỉ trọng của đất đá là hàm của chiều sâu.
Trong tương lai, Sackett tin rằng kĩ thuật này có thể dùng để thực hiện những phép đo rất chính xác của lực hấp dẫn trên những thang chiều dài rất ngắn – chúng có thể tiết lộ những sai lệch khỏi định luật hấp dẫn Newton như một số lí thuyết của ngành vật lí hạt đã tiên đoán. Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng ngay cả việc cho phản xạ trên một vài micromet cũng có thể là một khoảng cách quá lớn đối với những những phép đo như vậy
