Câu hỏi được đặt ra là lấy đâu ra cái nơi lạnh như thế? Để trả lời câu hỏi này có lẽ cần phải khái quát qua một chút về các kiến thức nền tảng trong vật lý, liên quan đến nhiệt độ của chất khí. Khi làm việc với chất khí, các nhà vật lý thường sử dụng một lý thuyết được gọi là cơ học thống kê. Lý thuyết này được phát minh bởi những người khổng lồ về vật lý như Maxwell và Boltzmann vào thế kỷ 19. Những nhà vật lý vĩ đại này đã làm sống lại một ý tưởng cũ của 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 thành từ nguyên tử là một cuộc cách mạng.

Vào buổi bình minh của thế kỷ 20, một lý thuyết khác đã ra đời, đó 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 năm 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. Hay như trong bài viết này về máy tính lượng tử là một ví dụ. Nhưng nhiệt độ của chúng thấp đến mức khó tin, ở mức NanoKelvin trở xuống (1 Kelvin = 1 000 000 NanoKelvin và cũng 1 Kelvin đó tương ứng với -271,15^oC). Những loại khí này lạnh hơn hàng tỷ lần so với những nơi lạnh nhất trong vũ trụ và chúng được tạo ra ngay trên Trái đất.

Trở lại với nhiệt kế lượng tử, 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.Vậy chính xác thì khí Fermi là gì?

Tất cả các hạt trong vũ trụ, bao gồm cả nguyên tử, đều thuộc 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. Đặc tính này thực sự khiến nhiệt độ của chúng trở nên khó đo lường.

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 của nó.

Các nhà nghiên cứu đã đưa ra ý tưởng tạo ra khí Fermi cực lạnh từ các nguyên tử liti và sử dụng một loại nguyên tử khác làm chất ​​thăm dò. Chất thăm dò là kali được nhúng vào trong chất khí. Va chạm với các nguyên tử xung quanh thay đổi trạng thái của kali và điều này cho phép tính toán ra nhiệt độ. Về mặt kỹ thuật, ý tưởng đó của các nhà khoa học liên quan đến việc tạo ra hiện tượng chồng chập lượng tử: một trạng thái kỳ lạ trong đó nguyên tử thăm dò đồng thời không tương tác với chất khí. Trong đó, sự chồng chập này thay đổi theo thời gian một cách rất nhạy cảm với nhiệt độ.

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 ống thủy tinh. Nhiệt kế mà các nhà nghiên cứu đề xuất hoạt động theo cách tương tự, nhưng thay cho thủy ngân, họ đo trạng thái của các nguyên tử đơn lẻ bị vướng (hoặc tương quan) với một lượng tử khí. Nghiên cứu này còn có sự cộng tác của các nhà khoa học tới từ Đại học khoa học và công nghệ Okinawa, Nhật Bản (OIST) và Đại học Dublin, Ireland (UCD). Chi tiết tham khảo tại:

Mark T. Mitchison, Thomás Fogarty, Giacomo Guarnieri, Steve Campbell, Thomas Busch, John Goold. In Situ Thermometry of a Cold Fermi Gas via Dephasing Impurities. Physical Review Letters, 2020; 125 (8) DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.080402

(Sưu tầm)
VIỆN IMC
Tòa nhà IMC Tower, Số 176 Trường Chinh, Phường Khương
Thượng, Quận Đống Đa, Thành phố Hà Nội, Việt Nam
Tel/Fax : (+84) 24 3566 6232 / 24 3566 6234
Email: contact@imc.org.vn   Website: http://imc.org.vn