The coldest materials in the world aren’t in Antarctica. They’re not at the top of Mount Everest or buried in a glacier. They’re in physics labs: clouds of gases held just fractions of a degree above absolute zero. That’s 395 million times colder than your refrigerator, 100 million times colder than liquid nitrogen, and 4 million times colder than outer space. Temperatures this low give scientists a window into the inner workings of matter, and allow engineers to build incredibly sensitive instruments that tell us more about everything from our exact position on the planet to what’s happening in the farthest reaches of the universe.
Những vật liệu lạnh nhất thế giới không nằm ở Nam Cực, trên đỉnh Everest hay dưới một tảng băng, mà từ các phòng thí nghiệm lý: những đám mây khí với nhiệt độ chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài phần độ. Lạnh hơn gấp 395 triệu lần tủ lạnh nhà bạn, gấp 100 triệu lần ni-tơ lỏng, và hơn 4 triệu lần so với ngoài không gian. Những nhiệt độ thấp thế này giúp hé mở cánh cửa vào thế giới vận động của vật chất cho phép các kĩ sư tạo ra những thiết bị cực nhạy cho ta biết nhiều hơn về mọi thứ từ vị trí cụ thể của ta trên trái đất đến những gì xảy ra ở rìa xa nhất của vũ trụ.
How do we create such extreme temperatures? In short, by slowing down moving particles. When we’re talking about temperature, what we’re really talking about is motion. The atoms that make up solids, liquids, and gases are moving all the time. When atoms are moving more rapidly, we perceive that matter as hot. When they’re moving more slowly, we perceive it as cold.
Vậy ta tạo ra những nhiệt độ khắc nghiệt này như thế nào? Nói tóm tắt là bằng cách làm chậm các hạt chuyển động. Khi nói về nhiệt độ, cái ta thực sự nói đến là chuyển động. Những nguyên tử tạo thành chất rắn, lỏng, và khí lúc nào cũng chuyển động. Khi các nguyên tử chuyển động nhanh hơn, ta thấy chất đó nóng. Khi các nguyên tử chuyển động chậm hơn, ta thấy chất đó lạnh. Để làm lạnh một chất rắn hoặc khí nóng trong đời sống hàng ngày,
To make a hot object or gas cold in everyday life, we place it in a colder environment, like a refrigerator. Some of the atomic motion in the hot object is transferred to the surroundings, and it cools down. But there’s a limit to this: even outer space is too warm to create ultra-low temperatures. So instead, scientists figured out a way to slow the atoms down directly – with a laser beam.
ta đưa chúng vào môi trường có nhiệt độ thấp hơn như tủ lạnh. Một số chuyển động nguyên tử của vật nóng được chuyển sang môi trường xung quanh, khiến nó nguội dần. Nhưng điều này có một giới hạn: ngay cả ngoài không gian cũng là quá nóng để có thể tạo nhiệt độ cực thấp. Nên thay vào đó, các nhà khoa học đã tìm ra cách trực tiếp làm chậm nguyên tử - bằng một chùm laser.
Under most circumstances, the energy in a laser beam heats things up. But used in a very precise way, the beam’s momentum can stall moving atoms, cooling them down. That’s what happens in a device called a magneto-optical trap. Atoms are injected into a vacuum chamber, and a magnetic field draws them towards the center. A laser beam aimed at the middle of the chamber is tuned to just the right frequency that an atom moving towards it will absorb a photon of the laser beam and slow down. The slow down effect comes from the transfer of momentum between the atom and the photon. A total of six beams, in a perpendicular arrangement, ensure that atoms traveling in all directions will be intercepted. At the center, where the beams intersect, the atoms move sluggishly, as if trapped in a thick liquid — an effect the researchers who invented it described as “optical molasses.” A magneto-optical trap like this can cool atoms down to just a few microkelvins — about -273 degrees Celsius.
Trong đa số trường hợp, năng lượng trong chùm laser làm các vật nóng lên. Nhưng nếu được sử dụng một cách chính xác, động lượng của chùm tia có thể trì hoãn nguyên tử chuyển động, làm chúng nguội đi. Đây là điều xảy ra trong một thiết bị tên bẫy quang từ. Các nguyên tử được đưa vào một môi trường chân không, và một từ trường sẽ kéo chúng về phía tâm thiết bị. Một chùm tia laser nhắm vào chính giữa từ trường này được điều chỉnh đến tần số thích hợp để khi nguyên tử tiến gần đến sẽ hấp thụ một photon trong chùm laser và chậm lại. Hiệu ứng chậm lại đến từ sự chuyển giao động lực học giữa nguyên tử và photon. Tổng cộng sáu chùm tia, trong vị trí vuông góc, đảm bảo những nguyên tử đi từ nhiều hướng sẽ bị chặn lại. Giữa trung tâm, nơi những chùm tia giao nhau, các nguyên tử chuyển động chậm, như đang kẹt trong một chất lỏng đặc, một hiệu ứng các nhà phát minh ra nó gọi là "mật đường thị giác." Một bẫy quang từ như thế này có thể "làm nguội" các nguyên tử xuống chỉ một vài microkelvin, khoảng -273 độ C.
This technique was developed in the 1980s, and the scientists who'd contributed to it won the Nobel Prize in Physics in 1997 for the discovery. Since then, laser cooling has been improved to reach even lower temperatures.
Kĩ thuật này được phát triển vào những năm 1980, và những nhà khoa học cống hiến cho nó đều đoạt giải Nobel Vật lý vào năm 1997 cho phát hiện này. Từ đó, laser làm nguội đã được phát triển để tiến đến những nhiệt độ thấp hơn.
But why would you want to cool atoms down that much? First of all, cold atoms can make very good detectors. With so little energy, they’re incredibly sensitive to fluctuations in the environment. So they’re used in devices that find underground oil and mineral deposits, and they also make highly accurate atomic clocks, like the ones used in global positioning satellites.
Nhưng tại sao bạn lại muốn làm nguội nguyên tử nhiều đến vậy? Thứ nhất, những nguyên tử lạnh có thể là những "bộ dò" rất tốt. Do có cực ít năng lượng, chúng cực nhạy với những dao động trong môi trường. Nên chúng được dùng trong những thiết bị tìm dầu và khoáng dưới lòng đất, và chúng cũng là "đồng hồ nguyên tử" cực chính xác, như những cái được dùng trong những vệ tinh định vị toàn cầu.
Secondly, cold atoms hold enormous potential for probing the frontiers of physics. Their extreme sensitivity makes them candidates to be used to detect gravitational waves in future space-based detectors. They’re also useful for the study of atomic and subatomic phenomena, which requires measuring incredibly tiny fluctuations in the energy of atoms. Those are drowned out at normal temperatures, when atoms speed around at hundreds of meters per second. Laser cooling can slow atoms to just a few centimeters per second— enough for the motion caused by atomic quantum effects to become obvious. Ultracold atoms have already allowed scientists to study phenomena like Bose-Einstein condensation, in which atoms are cooled almost to absolute zero and become a rare new state of matter.
Thứ hai, những nguyên tử lạnh có tiềm năng cực lớn trong việc "mò mẫm" giới hạn của vật lý học. Độ cực nhạy khiến chúng trở thành những ứng cử viên dò từ trường trong những máy dò trong vũ trụ tương lai. Chúng cũng giúp ích cho việc nghiên cứu những hiện tượng nguyên tử, vốn cần đo đạc những dao động cực nhỏ trong nguyên tử. Những dao động đó bị lấp ở nhiệt độ thường, khi các nguyên tử chạy quanh với tốc độ hàng trăm mét một giây. Laser làm lạnh có thể làm chậm nguyên tử tới chỉ vài centimet một giây, đủ để dao động tạo ra bởi lượng tử nguyên tử trở nên rõ rệt. Những nguyên tử siêu lạnh đã cho phép các nhà khoa học nghiên cứu các hiện tượng như sự đông đặc Bose-Einstein, khi nguyên tử được làm lạnh tới gần độ không tuyệt đối và trở thành một hình thái chất hiếm hoàn toàn mới.
So as researchers continue in their quest to understand the laws of physics and unravel the mysteries of the universe, they’ll do so with the help of the very coldest atoms in it.
Thế nên, bước tiếp con đường tìm hiểu quy luật vật lý và mở ra những bí mật của vũ trụ, các nhà khoa học sẽ cần đến