Loại ánh sáng mới tạo đột phá về vật lý

Các nhà khoa học Đức vừa công bố một đột phá đáng chú ý trong vật lý, khi tạo ra một dạng ánh sáng mới từ những hạt photon được làm lạnh đặc biệt. Thành quả này liên quan đến trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein, một trạng thái vật chất kỳ lạ từng khiến giới nghiên cứu tin rằng ánh sáng không thể đạt tới. Nhóm nghiên cứu đặt tên cho tập hợp photon mới hình thành là “siêu photon”, mở ra cách nhìn khác về bản chất cũng như khả năng điều khiển ánh sáng. Trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein từng được tạo ra năm 1995 bằng các nguyên tử siêu lạnh thuộc một chất khí, sau khi chúng được làm lạnh gần độ không tuyệt đối. Khi đó, các hạt hòa vào nhau, trở nên không thể phân biệt, rồi cùng biểu hiện như một hạt khổng lồ duy nhất. Khám phá mới cho thấy trạng thái đặc biệt này không chỉ xuất hiện ở vật chất thông thường, mà còn có thể hình thành từ những đơn vị cơ bản của ánh sáng. Bốn nhà vật lý Jan Klärs, Julian Schmitt, Frank Vewinger và Martin Weitz, thuộc Đại học Bonn ở Đức, đã thực hiện thí nghiệm được xem như “nhiệm vụ bất khả thi”. Thách thức lớn nằm ở việc photon không có khối lượng, nên thường bị môi trường xung quanh hấp thụ rồi biến mất trong lúc các nhà khoa học cố gắng làm lạnh chúng. Muốn tạo ngưng tụ Bose-Einstein, nhóm nghiên cứu phải đồng thời hạ nhiệt photon và duy trì đủ số lượng photon cần thiết cho quá trình kết tụ. Giải pháp của nhóm bắt đầu bằng một khoang chứa đặc biệt, cấu tạo từ những tấm gương đặt cực kỳ sát nhau, chỉ cách khoảng một phần triệu mét, tương đương 1 micron. Khoảng không hẹp giữa các gương giữ photon không cho chúng thoát ra, khiến chúng liên tục bật qua bật lại trong một vùng bị giới hạn. Cách bố trí này biến khoang gương thành nơi các nhà nghiên cứu có thể theo dõi, kiểm soát và làm lạnh photon mà không để chúng biến mất quá nhanh. Nhóm nghiên cứu đưa vào giữa các tấm gương những phân tử thuốc nhuộm, thực chất là một lượng nhỏ chất nhuộm màu có khả năng tương tác với photon. Mỗi khi photon va chạm phân tử thuốc nhuộm, nó bị hấp thụ rồi được phát lại, đồng thời trao đổi nhiệt lượng với môi trường xung quanh. Quá trình hấp thụ và tái phát lặp lại nhiều lần, giúp photon dần mất năng lượng nhưng vẫn được giữ lại trong khoang gương. Kết quả khiến các photon được làm lạnh xuống nhiệt độ phòng, mức nhiệt tưởng như chưa đủ thấp nếu so với điều kiện gần độ không tuyệt đối của các ngưng tụ Bose-Einstein truyền thống. Tuy nhiên, do photon trong khoang bị giới hạn và tương tác liên tục với các phân tử thuốc nhuộm, nhiệt độ phòng vẫn đủ để chúng kết lại thành một trạng thái ngưng tụ. Nói cách khác, nhóm nghiên cứu đã tìm được cách thay thế điều kiện siêu lạnh bằng một hệ thống giam giữ và trao đổi nhiệt được kiểm soát chính xác. Thí nghiệm được công bố trên tạp chí Nature, nhận đánh giá tích cực từ nhà vật lý James Anglin thuộc Đại học Kỹ thuật Kaiserslautern, cũng tại Đức. Ông gọi kết quả này là “một thành tựu mang tính bước ngoặt”, bởi nó giải quyết trở ngại lâu nay liên quan đến việc làm lạnh ánh sáng mà không làm mất photon. Thành công ấy cũng chứng minh những giới hạn từng được xem là bất khả thi có thể thay đổi khi phương pháp thực nghiệm đủ tinh vi. Các tác giả nghiên cứu cho rằng siêu photon có thể hỗ trợ phát triển những loại laser mới trong tương lai, đặc biệt các thiết bị tạo ánh sáng có bước sóng cực ngắn. Những nguồn sáng này có khả năng hoạt động trong các dải tia X hoặc tia cực tím, vốn có nhiều giá trị đối với nghiên cứu và công nghệ. Dù các ứng dụng còn cần tiếp tục được kiểm chứng, việc tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein từ photon đã đánh dấu một bước tiến quan trọng trong nỗ lực kiểm soát ánh sáng.