VẬT CHẤT PHOTONIC (ÁNH SÁNG MỚI)

CÁC NHÀ VẬT LÝ ĐÃ TẠO NÊN MỘT DẠNG VẬT CHẤT MỚI : VẬT CHẤT PHOTONIC (PHOTONIC MATTER )

57B

Như  chúng ta biết trong khuôn khổ của QED (Quantum Electrodynamics- Điện động lực học lương tử ) thì các hạt photon không tương tác với nhau.

Đây là lần đầu tiên các nhà vật lý đã tìm được phương pháp để các photon tương tác với nhau nhờ một môi trường phi tuyến trong đó các tương tác giữa các photon thực hiện nhờ những trạng thái Rydberg nguyên tử.Sự tương tác giữa các photon dẫn đến sự liên kết giữa các photon và các nhà vật lý thu được một loại vật chất  mới  photonic (photonic matter).Đây quả là một thành tựu đáng kể vì vật chất photonic có nhiều triển vọng trong tương lai khi được ứng dụng vào tính toán lượng tử bằng photon.

Hãy tiến hành một thí nghiệm : cho hai đèn pin chiếu đối diện nhau thì chúng ta không thấy điều gì khác thường.Là bởi vì các photon  phát ra đây không tương tác với nhau nên chúng đi qua nhau như hai bóng ma trong đêm (hình 1).

     

                           Hình 1 .Các photon không tương tác với nhau

Song nếu các photon có thể tương tác với nhau (hút nhau hay đẩy nhau ) như những nguyên tử thông thường  thì những điều gì sẽ xảy ra?

Các nhà vật lý (MIT,Đại học Harvard) hy vọng tìm cách làm cho các photon có khả năng tương tác với nhau , điều này có thể mở đường sử dụng photon vào tính toán lượng tử.

Trong một công trình công bố trên tạp chí Science các tác giả 

Vladan Vuletic, MIT, và  Mikhail Lukin từ  Đại học Harvard y và nhiều đồng nghiệp đã quan sát được 3 photon tương tác với nhau [1].

Mô tả thí nghiệm [2]

Nhóm tác giả trên đã chiếu một tia laser yếu qua một đám mây mật độ lớn  của các nguyên tử rubidium Rb siêu lạnh kết quả thu được là các photon kết hợp với nhau thành đôi hoặc thành ba như vậy thể hiện một loại tương tác (ở đây là tương tác hút) đã xuất hiện giữa chúng (hình 2).

   

                                              Hình 2. Thí nghiệm tạo liên kết photon

Photon  không có khối lượng và có vận tốc 300.000 km/giây.Trong thí nghiệm trên  các nhà vật lý tìm thấy các photon có tương tác thu được một khối lượng nhỏ của electron và có vận tốc nhỏ hơn 100.000 lần so với photon không tương tác.

Tác giả Vuletic phát biểu rằng như vậy các photon có thể tương tác với nhau và liên đới  (entanglement) với nhau. Nếu chế ngự được các photon có tương tác này thì có thể sử dụng trong các phép tính lượng tử nhanh và phức tạp.

Vuletic nói rằng sự tương tác của photon là điều mơ ước của các nhà vật lý trong nhiều thập kỷ qua.

Như vậy  các nhà vật lý đã quan sát được những cặp photon tương tác với nhau , kết hợp với nhau và như vậy họ có được một dạng vật chất mới.

Chúng ta có thể kết hợp nhiều phân tử oxygen thành O2 hay O3(ozone) . Vuletic tự hỏi rằng có thể làm liên kết nhiều photon lại với nhau hay không?

Họ đã chiếu một tia laser yếu lên một đám mây nguyên tử rubidium siêu lạnh ở nhiệt độ chừng một phần triệu độ không thuyệt đối (absolute zero).Ở nhiệt độ này các nguyên tử gần như đứng yên .

Các nhà vật lý tìm thấy sự xuất hiện của những cặp đôi hoặc cặp ba câc photon ở phía bên kia  các đám mây (xem hình 2).

Ngoài số lượng và vận tốc ra các nhà vật lý còn đo pha của các photon trước và sau đám mây  các nguyên tử Rb.Pha các photon cho chúng ta biết tần số dao động của nó.

Nếu pha càng lớn thì tương tác giữa các photon liên kết với nhau càng mạnh-tác giả Venkatramani giải thích như vậy.

Pha trong trường hợp tương tác 3 photon lớn hơn pha trong trường hợp tương tác 2 photon gấp 3 lần.

Điều này có nghĩa là tất cả ba photon đã tương tác lẫn nhau từng đôi rất mạnh.

Giả thuyết về tương tác của các photon

Các nhà vật lý đưa ra giả thuyết tương tác của các photon như sau.Khi một photon đi qua đám mây nguyên tử thì photon đó đã lưu lại gần nguyên tử rubidium làm thành một polariton-là một hạt lai có cấu trúc:

Polariton = photon + nguyên tử 

Hai polariton có thể tương tác với nhau nhờ thành phần nguyên tử . Đám mây các nguyên tử Rb sẽ lưu lại trạng thái ban đầu trong khi các photon rời xa đám mây trong trạng thái liên kết.

Trong trường hợp 3 photon ta có một liên kết mạnh hơn liên kết giữa 2 photon. Riêng hiện tượng  liên kết giũa 3 photon (nhiều hơn 2 photon) cũng đã là một điều thú vị.

Sự tương tác giữa photon chỉ xảy ra trong vòng một phần triêu giây song cũng đủ cho các photon liên kết với nhau ngay cả sau khi rời đám mây rubidium.

Điều đáng lưu ý là sau khi các photon rời ra đám mây rubidium thì trong đám  mây không có điều gì khác xảy ra hay nói cách khác đám mây đã lưu lại ký ức của mình.

Các photon liên kết có thể đi một quãng đường dài vì thế chúng ta có thể dùng chúng để chuyển tải thông tin như một sợi quang học, Vuletic đã phát biểu như vậy.

Trong quá trình phát triển các nhà vật lý có thể tác động lên photon theo cách buộc chúng không phải hút nhau mà đẩy nhau và chúng sẽ tán xạ lên nhau như những quả bóng billard.

Có thể chăng trong trường hợp đẩy nhau chúng ta có thể tạo nên những dạng như tinh thể ánh sáng,hay nhiều điều khác? Đấy là những triển vọng mà các nhà vật lý đang tìm hiểu với vật chất photonic-Vuletic đã phát biểu như vậy.

TÀI LIỆU THAM KHẢO  và CHÚ THÍCH

[1] Qi-Yu Liang, Aditya V. Venkatramani, Sergio H. Cantu, Travis L. Nicholson, Michael J. Gullans, Alexey V. Gorshkov, Jeff D.

Thompson, Cheng Chin, Mikhail D. Lukin, and Vladan Vuleti´c 

Observation of three-photon bound states in a

quantum nonlinear medium

arXiv:1709.01478v2 [physics.atom-ph] 10 Nov 2017

[2] Jennifer Chu | MIT News Office Physicists create new form of light

http://news.mit.edu/2018/physicists-create-new-form-light-0215

 [3] Trạng thái Rydberg  là trạng thái của một nguyên tử hay một phân tử trong đó có một electron được kích thích đến một số lượng tử quỹ đạo chính và cao nhất.