Tác giả: Li Wei (Viện Vật lý Plasma, Viện Khoa học Vật lý Hợp Phì, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc)
Bài viết được trích từ tài khoản chính thức của Viện Hàn lâm Khoa học (ID: kexuedayuan)
——
Bạn còn nhớ súng laser trong Star Wars và siêu laser Death Star có khả năng phá hủy toàn bộ hành tinh không? Bạn còn nhớ vũ khí pha trong Star Trek có thể làm bốc hơi kẻ thù ngay lập tức không? Và còn có Superman, người được sinh ra với đôi mắt tia laser có khả năng dọa kẻ xấu tránh xa.
Hình 1 Vũ khí laser xuất hiện trong poster của Star Wars: The Force Awakens
Hình 2 Siêu nhân với đôi mắt laser (Nguồn: Guokr.com)
Tia laser thường xuất hiện trong các tác phẩm này như một siêu vũ khí mạnh mẽ và hầu như tất cả đều có cùng một chức năng, đó là làm nóng vật thể. Nhưng laser thực chất là gì? Nó khác với ánh sáng thông thường như thế nào? Tia laser chỉ có thể dùng để làm nóng đồ vật phải không? Hãy theo dõi công ty để trở thành "người săn đuổi ánh sáng" và khám phá những bí mật vô tận của thế giới laser~
tia laze? tia laze? Chính xác thì nó là gì?
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta không chỉ nghe đến từ laser mà đôi khi còn nghe đến từ laser. Vậy chính xác thì chúng là gì? Sự khác biệt giữa chúng là gì?
Những người không biết nhiều về nó có thể hiểu theo nghĩa đen là "tia laser" là tia phát ra từ radium, do đó tạo ra hiểu lầm rằng "tia laser" có thể gây hại cho sức khỏe con người. Trên thực tế, tia laser không liên quan gì đến radium. Đây là phiên âm của từ tiếng Anh LASER. Từ LASER được lấy từ chữ cái đầu tiên của mỗi từ tiếng Anh "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", có nghĩa là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích".
Vậy "phát xạ bức xạ kích thích" là gì? Nó dựa trên một tập hợp lý thuyết hoàn toàn mới được nhà khoa học vĩ đại Einstein đề xuất vào năm 1917. Lý thuyết này nói rằng trong các nguyên tử tạo nên vật chất, có nhiều hạt (electron) khác nhau phân bố ở các mức năng lượng khác nhau. Khi các hạt ở mức năng lượng cao bị kích thích bởi một số photon nhất định, chúng sẽ nhảy (chuyển đổi) từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp. Lúc này, chúng sẽ phát ra ánh sáng có cùng tính chất với ánh sáng kích thích nó, và trong những điều kiện nhất định, một ánh sáng yếu có thể kích thích một ánh sáng mạnh. Hiện tượng này được gọi là "khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ bức xạ kích thích". Ở Hồng Kông, Ma Cao và Đài Loan, mọi người thường gọi ánh sáng phát ra từ tia laser phát xạ kích thích, nhưng chúng tôi gọi là laser theo gợi ý của ông Qian Xuesen, đây là cách dịch phù hợp hơn. Vì vậy, laser và tia laser là một. (Nếu bạn muốn biết thêm bí mật của laser, vui lòng nhấp vào: Học giả nói chuyện với bạn về quá khứ, hiện tại và tương lai của laser)
Dưới ảnh hưởng của một số bộ phim khoa học viễn tưởng, chúng ta đều biết rằng tia laser là một loại ánh sáng có năng lượng rất mạnh. Nó có tác dụng nhiệt. Một chiếc bút laser thông thường có công suất 300mW có thể đốt cháy giấy ở khoảng cách gần. Bệnh viện sử dụng tia laser để loại bỏ lông và tàn nhang, thậm chí sử dụng tia laser để hàn võng mạc. Tia laser mạnh được sử dụng trong công nghiệp có thể xuyên qua các tấm thép cứng. Ngay cả vật liệu cứng nhất thế giới - kim cương - cũng có thể được cắt và đánh bóng bằng tia laser.
Hình 3: Máy cắt laser đang cắt tấm thép (Nguồn: Veer Gallery)
Đặc tính này của tia laser được các nhà khoa học sử dụng để nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân. Các nhà khoa học sử dụng nhiều chùm tia laser mạnh để bắn đồng thời vào lõi nhiên liệu chứa đầy deuterium và tritium. Dưới tác động của rất nhiều chùm tia laser, nhiệt độ của lõi nhiên liệu có thể vượt quá 100 triệu độ C, cao gấp năm hoặc sáu lần so với nhiệt độ ở tâm mặt trời. Đây là nhiệt độ cao nhất do con người tạo ra trên thế giới. Áp suất tác dụng lên lõi nhiên liệu lớn hơn áp suất của bầu khí quyển Trái Đất 100 tỷ lần. Lõi nhiên liệu được đốt cháy, deuterium và tritium trải qua phản ứng tổng hợp hạt nhân, giải phóng năng lượng khổng lồ.
Chúng ta có thể thấy rằng các ứng dụng trên đều tận dụng đặc điểm độ sáng cao và năng lượng tập trung cao của tia laser. Nhưng bạn có biết rằng tia laser "nóng" như vậy cũng có thể làm lạnh các nguyên tử xuống nhiệt độ cực thấp không? Điều này nghe có vẻ khó tin và trái ngược với trực giác.
Tia laser có một mẹo để đóng băng các nguyên tử
Được rồi, trước khi giải thích cách thức làm mát bằng laser hoạt động, trước tiên chúng ta cần biết "nóng" có nghĩa là gì?
Hãy tưởng tượng rằng khi chúng ta đang tắm nước nóng thoải mái trong phòng tắm bằng vòi sen, có tiếng "tõm", và một giọt nước lạnh trên trần phòng tắm không chịu được lực hấp dẫn của trái đất mà rơi xuống người bạn, khiến bạn bị kích thích dữ dội. Bạn không khỏi thắc mắc, tại sao những giọt nước này lại không nóng bằng nước phun ra từ vòi hoa sen? Bản chất của "nhiệt" là gì? Câu hỏi này đã làm đau đầu loài người trong một thời gian dài. Vào thế kỷ 18 sau Công nguyên, một nhà khoa học tên là Lomonosov cuối cùng đã đưa ra câu trả lời: nhiệt là biểu hiện của chuyển động phân tử bên trong vật chất! Do đó, chúng ta có thể cho rằng các phân tử nước trong nước nóng phun ra từ vòi hoa sen chuyển động nhanh hơn các phân tử nước trong các giọt nước nhỏ trên trần phòng tắm.
Hình 4 Giọt nước trong phòng tắm (Nguồn: veer Gallery)
Sau khi hiểu được bản chất "nhiệt" của một vật, chúng ta cũng biết cách "làm mát" nó. Chỉ cần chúng ta làm chậm tốc độ chuyển động của các phân tử bên trong vật thể thì chúng ta có thể đạt được mục tiêu của mình.
Trên thực tế, các nguyên tử và phân tử luôn chuyển động ngẫu nhiên và với tốc độ cao mọi lúc, và chúng ta muốn chúng chậm lại. Việc này rất dễ. Vì họ không thể "phanh" nên chúng ta có thể giúp họ "phanh". Chúng ta chỉ cần tác dụng một lực vào chúng theo hướng ngược lại với hướng chuyển động. Nhưng chúng quá nhỏ, nhỏ đến mức chúng ta không thể bắt chúng bằng ngón tay và làm chúng chậm lại được, vì vậy chúng ta cần tìm một đôi "bàn tay nhỏ" giúp chúng ta thực hiện mong muốn này.
“Bàn tay nhỏ bé” của ai có thể giúp chúng ta?
Các nhà khoa học nghĩ đến "ánh sáng". Hả? Ý tưởng này có vẻ không khả thi vì có vẻ như các nhà khoa học đang bổ sung năng lượng vào hệ thống để cố gắng giảm năng lượng của hệ thống, giống như cố thổi tắt một ngọn nến bằng súng phun lửa. Liệu cách này có hiệu quả không?
Hình 5 Thổi nến bằng súng phun lửa (Nguồn ảnh: tự chụp của tác giả)
Tất nhiên là nó hữu ích, vì ánh sáng rất đặc biệt. Mặc dù không có khối lượng (khối lượng nghỉ của photon bằng không), nhưng nó có động lượng. Khi một lượng lớn photon chiếu vào một vật thể, chúng sẽ tạo ra một loại áp suất lên vật thể đó. Áp suất này được gọi là áp suất ánh sáng, là kết quả của việc các photon truyền động lượng cho vật thể. Cánh buồm năng lượng mặt trời sử dụng áp suất nhẹ làm lực đẩy. Đuôi của sao chổi luôn hướng ra xa mặt trời và cũng bị ảnh hưởng bởi áp suất ánh sáng từ mặt trời.
Do đó, sử dụng áp suất ánh sáng của photon để làm chậm chuyển động của các nguyên tử là một phương pháp khả thi. Nếu một nguyên tử chuyển động theo một hướng và va chạm với một photon chuyển động theo hướng ngược lại, động lượng của photon sẽ được truyền cho nguyên tử và chuyển động của nguyên tử sẽ chậm lại. Đây chính là chìa khóa của phương pháp làm mát bằng laser.
Chúng ta có thể có một câu hỏi khác ở đây. Khi nguyên tử chậm lại, liệu nó có tiếp tục bị nhiều photon hơn va chạm và tăng tốc theo hướng ngược lại không? Hơn nữa, chuyển động của các nguyên tử là ngẫu nhiên. Nếu hướng chuyển động của nguyên tử và photon giống nhau thì nguyên tử có chuyển động nhanh hơn không?
Câu hỏi này rất có lý.
Trên thực tế, vì các nguyên tử chỉ hấp thụ ánh sáng có bước sóng nhất định nên các nhà khoa học phải đảm bảo điều chỉnh bước sóng laser cao hơn một chút so với bước sóng hấp thụ của các nguyên tử khi chúng ở trạng thái nghỉ. Theo hiệu ứng Doppler, khi một nguyên tử chuyển động về phía một photon, bước sóng ánh sáng sẽ bị nén lại. Khi bước sóng ánh sáng bị nén lại bằng đúng bước sóng hấp thụ của nguyên tử, nguyên tử sẽ hấp thụ photon và nguyên tử sẽ chuyển từ trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích. Tốc độ chuyển động của nguyên tử sẽ chậm lại và động năng sẽ giảm. Khi nguyên tử dừng lại hoặc chuyển động cùng hướng với photon, nguyên tử sẽ không hấp thụ photon.
Hình 6 Sơ đồ làm mát Doppler một chiều (Nguồn hình ảnh: Tài liệu tham khảo [1])
Vậy thì sao nếu các nguyên tử luôn chuyển động theo mọi hướng ngẫu nhiên như thường lệ?
Vấn đề này dễ giải quyết, chúng ta chỉ cần thêm nhiều tia laser theo hướng ngược lại. Nếu chúng ta cũng thêm tia laser hoặc gương ở phía trên, phía dưới, phía trước và phía sau của nguyên tử, thì bây giờ chúng ta có sáu hướng tia laser để làm chậm một nguyên tử có thể chuyển động theo bất kỳ sự kết hợp nào trong sáu hướng đó.
Hình 7 Tia laser theo sáu hướng được sử dụng để làm mát các nguyên tử (Nguồn hình ảnh: Nguồn hình ảnh: https://www.newelectronics.co.uk/)
Vậy chúng ta có thể làm lạnh tới mức nào bằng phương pháp làm mát bằng laser?
Vâng, các nhà khoa học đã từng hạ nhiệt độ trong phòng thí nghiệm xuống 0,5nK, gần bằng độ không tuyệt đối (-273,15℃). Tuy nhiên, chúng ta không bao giờ có thể đạt tới độ không tuyệt đối do nguyên lý bất định của Heisenberg, nguyên lý này nói rằng chúng ta không bao giờ có thể biết cả vị trí và động lượng của một hạt cùng một lúc. Do đó, chúng ta không bao giờ có thể thực sự ngăn chặn chuyển động của các nguyên tử.
Nhiệt độ rất thấp mà chúng ta đạt được bằng phương pháp làm lạnh bằng laser, chẳng hạn như làm lạnh vật thể xuống gần độ không tuyệt đối, có thể đạt được bằng cách làm lạnh những vật thể rất nhỏ.
Vậy tại sao chúng ta lại tốn nhiều công sức vào việc làm mát bằng laser? Lý do ban đầu là nếu chúng ta muốn đo chính xác các thông số nguyên tử khác nhau, cách tốt nhất là làm mát các nguyên tử để chúng trở nên yên tĩnh (điều này đòi hỏi phải sử dụng bẫy quang từ và các phương tiện khác) để chúng ta có thể kiểm soát và quan sát chúng một cách ngoan ngoãn. Bây giờ chúng ta có một lý do khác: nếu chúng ta muốn quan sát hành vi lượng tử của các vật thể vĩ mô, chúng phải được giữ ở nhiệt độ cực lạnh.
Ứng dụng của làm mát bằng laser
Làm mát bằng laser đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Nó không chỉ giúp các nhà khoa học quan sát bước sóng của sóng vật chất liên kết mà còn mở ra những cánh cửa nghiên cứu mới cho các nhà khoa học trong lĩnh vực đo lường chính xác, thông tin lượng tử, v.v.
Một ứng dụng thực tế hơn của công nghệ này là "thời gian". Trước đây, các nhà khoa học đã sử dụng thực tế là các mức năng lượng chuyển tiếp của các cấu trúc siêu mịn của nguyên tử có tần số chuyển tiếp rất ổn định để phát triển đồng hồ nguyên tử có độ chính xác cao hơn đồng hồ tinh thể, với sai số chính xác là 1 giây/3 triệu năm. Với sự trợ giúp của công nghệ làm lạnh bằng laser, các nhà khoa học có thể làm chậm chuyển động của các nguyên tử cesium và do đó thiết kế ra một chiếc đồng hồ nguyên tử lạnh có độ chính xác có thể giảm xuống còn 1 giây/300 triệu năm. Chiếc đồng hồ nguyên tử lạnh không gian đầu tiên trên thế giới được tàu vũ trụ Thiên Cung-2 của nước tôi mang theo là chiếc đồng hồ chính xác nhất thế giới. Nó hoạt động cùng với vệ tinh Beidou quay quanh trái đất để cung cấp cho chúng ta khả năng điều hướng và định vị chính xác đến từng centimet.
Hình 8 Đồng hồ nguyên tử lạnh không gian (do Viện Quang học và Cơ học tinh xảo Thượng Hải phát triển, ảnh do Zhao Kan chụp)
Khi chúng ta đi du lịch vòng quanh thế giới trên những chiếc máy bay và ô tô được cắt và hàn bằng tia laser và được dẫn đường bởi hệ thống định vị Beidou, chúng ta không nên quên rằng tia laser là công nghệ không thể thiếu đằng sau những điều này.
Tia laser thực sự là một trợ thủ đắc lực cho các nhà khoa học. Trời không chỉ nóng mà còn rất MÁT!
Tài liệu tham khảo
[1] Trang Vi, Lý Thiên Sơ. Làm mát và thao tác nguyên tử bằng laser: nguyên lý và ứng dụng[J]. Tạp chí Khoa học và Công nghệ, 2018, 36(05): 28-38.
[2] Vương Vũ Trụ, Từ Chấn. Làm mát bằng laser và ứng dụng của nó trong khoa học và công nghệ [J]. Tiến bộ Vật lý, 2005(04):347-358.
[3] Quý Dương. Làm lạnh bằng tia laser[J]. Giáo dục Vật lý, 2014, 36(10): 2-3.
[4]http://www.kepu.net.cn/gb/technology/telecom/fiber/fbr301.html
[5]https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3MzE3OTI0Mw==&mid=2247484836&idx=1&sn=3d6c5accb9500f62942595820a2fe623&scene=38#wechat_redirect
