Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các nhà vật lý đã đề xuất một loại nhiệt kế dựa trên rối lượng tử có thể đo chính xác nhiệt độ lạnh hơn một tỷ lần so với nhiệt độ ngoài không gian.
Các nhà vật lý từ Đại học Trinity, Dublin đã đề xuất một nhiệt kế dựa trên hiện tượng rối lượng tử có thể đo chính xác nhiệt độ lạnh hơn một tỷ lần so với nhiệt độ ngoài không gian.
Nhiệt độ cực lạnh này phát sinh trong các đám mây nguyên tử, được gọi là khí Fermi, được các nhà khoa học tạo ra để nghiên cứu cách vật chất hoạt động ở trạng thái lượng tử cực đoan.
Công trình được dẫn dắt bởi nhóm QuSys tại Trinity với các nghiên cứu sinh sau tiến sĩ, Tiến sĩ Mark Mitchison, Tiến sĩ Giacomo Guarnieri và Giáo sư John Goold với sự cộng tác của Giáo sư Steve Campbell (UCD) và Tiến sĩ Thomas Fogarty và Giáo sư Thomas Busch làm việc tại OIST, Okinawa, Nhật Bản .
Thảo luận về đề xuất này, Giáo sư Goold, người đứng đầu nhóm QuSys của Trinity giải thích khí cực lạnh là gì. Anh ấy nói:
“Cách tiêu chuẩn mà một nhà vật lý nghĩ về chất khí là sử dụng một lý thuyết được gọi là cơ học thống kê. Lý thuyết này được phát minh bởi những ngôi sao khổng lồ về vật lý như Maxwell và Boltzmann vào thế kỷ 19. Những ngôi sao này đã làm sống lại một ý tưởng cũ từ các nhà triết học Hy Lạp rằng các hiện tượng vĩ mô, chẳng hạn như áp suất và nhiệt độ, có thể được hiểu theo chuyển động vi mô của nguyên tử. Chúng ta cần nhớ rằng vào thời điểm đó, ý tưởng cho rằng vật chất được tạo ra từ nguyên tử là một cuộc cách mạng. “
“Vào buổi bình minh của thế kỷ 20, một lý thuyết khác đã thành hiện thực. Đây là cơ học lượng tử và nó có thể là lý thuyết quan trọng và chính xác nhất mà chúng ta có trong vật lý. Một dự đoán nổi tiếng của cơ học lượng tử là các nguyên tử đơn lẻ có được các đặc điểm giống như sóng, có nghĩa là dưới nhiệt độ tới hạn, chúng có thể kết hợp với các nguyên tử khác thành một sóng vĩ mô duy nhất với các đặc tính kỳ lạ. Dự đoán này đã dẫn đến một nhiệm vụ thử nghiệm kéo dài hàng thế kỷ để đạt đến nhiệt độ tới hạn. Cuối cùng, thành công đã đạt được vào những năm 90 với việc tạo ra khí cực lạnh đầu tiên, được làm lạnh bằng tia laze (giải Nobel 1997) và bị giữ lại bằng từ trường mạnh – một kỳ tích đã đoạt giải Nobel năm 2001. “
“Các loại khí cực lạnh như thế này hiện được tạo ra thường xuyên trong các phòng thí nghiệm trên toàn thế giới và chúng có nhiều công dụng, từ thử nghiệm các lý thuyết vật lý cơ bản đến phát hiện sóng hấp dẫn. Nhưng nhiệt độ của chúng thấp đến kinh ngạc ở mức nanokelvin trở xuống! Chỉ để cho bạn một ý tưởng , một kelvin là -271,15 độ C. Những khí này lạnh hơn hàng tỷ lần – những nơi lạnh nhất trong vũ trụ và chúng được tạo ra ngay tại đây trên Trái đất. “
Vậy chính xác thì khí Fermi là gì?
Tất cả các hạt trong vũ trụ, bao gồm cả nguyên tử, đều có một trong hai loại được gọi là ‘boson’ và ‘fermion’. Khí Fermi bao gồm các fermion, được đặt tên theo nhà vật lý Enrico Fermi. Ở nhiệt độ rất thấp, boson và fermion hoạt động hoàn toàn khác nhau. Trong khi các boson thích tụ lại với nhau, thì các fermion lại làm ngược lại. Chúng là những kẻ tạo ra khoảng cách xã hội cuối cùng! Đặc tính này thực sự khiến nhiệt độ của chúng trở nên khó đo lường.
Tiến sĩ Mark Mitchison, tác giả đầu tiên của bài báo giải thích:
“Theo truyền thống, nhiệt độ của khí cực lạnh được suy ra từ mật độ của nó: ở nhiệt độ thấp hơn, các nguyên tử không có đủ năng lượng để phân tán ra xa nhau, làm cho chất khí trở nên đặc hơn. Nhưng các fermion luôn luôn cách xa nhau, ngay cả ở nhiệt độ cực thấp , vì vậy tại một thời điểm nào đó, mật độ của khí Fermi không cho bạn biết gì về nhiệt độ. “
“Thay vào đó, chúng tôi đề xuất sử dụng một loại nguyên tử khác làm tàu thăm dò. Giả sử rằng bạn có một khí cực lạnh làm từ các nguyên tử liti. Bây giờ bạn lấy một nguyên tử khác, chẳng hạn như kali, và nhúng nó vào trong khí. Va chạm với các nguyên tử xung quanh thay đổi trạng thái của đầu dò kali của bạn và điều này cho phép bạn suy ra nhiệt độ. Về mặt kỹ thuật, đề xuất của chúng tôi liên quan đến việc tạo ra một chất chồng lượng tử: một trạng thái kỳ lạ trong đó nguyên tử thăm dò đồng thời không tương tác với khí. Chúng tôi đã chứng minh rằng điều này sự chồng chất thay đổi theo thời gian theo cách rất nhạy cảm với nhiệt độ. “
Tiến sĩ Giacomo Guarnieri đưa ra sự tương tự như sau:
“Nhiệt kế chỉ là một hệ thống có các đặc tính vật lý thay đổi theo nhiệt độ theo cách có thể dự đoán được. Ví dụ: bạn có thể đo nhiệt độ của cơ thể bằng cách đo sự giãn nở của thủy ngân trong một ống thủy tinh. Nhiệt kế của chúng tôi hoạt động theo cách tương tự, nhưng thay vào đó của thủy ngân, chúng tôi đo trạng thái của các nguyên tử đơn lẻ bị vướng (hoặc tương quan) với một lượng tử khí. “
Giáo sư Steve Campbell, UCD, nhận xét:
“Đây không chỉ là một ý tưởng xa vời – những gì chúng tôi đang đề xuất ở đây thực sự có thể được thực hiện bằng cách sử dụng công nghệ có sẵn trong các phòng thí nghiệm vật lý nguyên tử hiện đại. Việc vật lý cơ bản như vậy có thể được kiểm tra thực sự đáng kinh ngạc. Trong số các công nghệ lượng tử mới nổi khác nhau, lượng tử các cảm biến như nhiệt kế của chúng tôi có khả năng tạo ra tác động tức thì nhất, vì vậy đây là một công việc đúng lúc và nó đã được các biên tập viên của Physical Review Letters đánh dấu vì lý do đó. “
Giáo sư Goold cho biết thêm:
“Trên thực tế, một trong những lý do khiến bài báo này được đánh dấu chính là vì chúng tôi đã thực hiện các phép tính và mô phỏng số, tập trung đặc biệt vào một thí nghiệm được thực hiện ở Áo và được xuất bản vài năm trước trên tạp chí Science. Ở đây khí Fermi là một loại khí loãng của các nguyên tử Lithium bị mắc kẹt tiếp xúc với tạp chất Kali. Các nhà thực nghiệm có thể kiểm soát trạng thái lượng tử bằng các xung tần số vô tuyến và đo lường thông tin về khí. Đây là những thao tác thường được sử dụng trong các công nghệ lượng tử khác. “
“Các thang đo thời gian có thể truy cập đơn giản là đáng kinh ngạc và sẽ là điều chưa từng có trong các thí nghiệm vật lý vật chất cô đặc truyền thống. Chúng tôi rất vui vì ý tưởng sử dụng những tạp chất này làm nhiệt kế lượng tử với độ chính xác cao có thể được thực hiện và thử nghiệm bằng công nghệ hiện có.”
Giáo sư Goold và nhóm nghiên cứu QuSys của ông được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Ireland. Ông là người nhận được Học bổng Nghiên cứu Đại học Royal Society và Trợ cấp Khởi nghiệp của Hội đồng Nghiên cứu Châu Âu. Anh ấy gần đây đã được bầu làm Ủy viên của Học viện Trẻ Châu Âu.
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Trinity College Dublin . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.
Tham khảo Tạp chí :