Hiệu ứng vật lý cũng có giá trị trong thế giới lượng tử

Ngày 20 tháng 2023 năm XNUMX (Tin tức Nanowerk) Các nhà vật lý tại Đại học Bonn đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng một định lý quan trọng của vật lý thống kê áp dụng cho cái gọi là “ngưng tụ Bose-Einstein”. Kết quả của họ hiện nay cho phép đo một số tính chất nhất định của các “siêu hạt” lượng tử và suy ra các đặc tính hệ thống mà nếu không sẽ khó quan sát được. Nghiên cứu này hiện đã được công bố trên Physical Review Letters (“Mối quan hệ dao động-tiêu tán đối với ngưng tụ Bose-Einstein của Photon”). Giả sử trước mặt bạn có một thùng chứa đầy một chất lỏng không xác định. Mục tiêu của bạn là tìm hiểu xem các hạt trong đó (nguyên tử hoặc phân tử) chuyển động qua lại ngẫu nhiên do năng lượng nhiệt của chúng là bao nhiêu. Tuy nhiên, bạn không có kính hiển vi để có thể hình dung những dao động vị trí này được gọi là “chuyển động Brown”. Hóa ra bạn hoàn toàn không cần điều đó: Bạn cũng có thể chỉ cần buộc một vật vào một sợi dây và kéo nó qua chất lỏng. Bạn càng phải tác dụng nhiều lực thì chất lỏng của bạn càng nhớt. Và nó càng nhớt thì trung bình các hạt trong chất lỏng càng ít thay đổi vị trí. Do đó, độ nhớt ở nhiệt độ nhất định có thể được sử dụng để dự đoán mức độ dao động. Định luật vật lý mô tả mối quan hệ cơ bản này là định lý dao động-tiêu tán. Nói một cách đơn giản, nó nêu rõ: Lực bạn cần tác dụng để làm nhiễu loạn một hệ thống từ bên ngoài càng lớn thì nó sẽ tự dao động ngẫu nhiên (tức là theo thống kê) càng ít nếu bạn để nó yên. Tiến sĩ Julian Schmitt từ Viện Vật lý Ứng dụng tại Đại học Bonn giải thích: “Lần đầu tiên chúng tôi đã xác nhận tính đúng đắn của định lý đối với một nhóm hệ lượng tử đặc biệt: ngưng tụ Bose-Einstein”. Photon (màu xanh lá cây) có thể bị “nuốt chửng” bởi các phân tử thuốc nhuộm (màu đỏ) và sau đó lại “nhổ ra” lần nữa. Điều này càng có khả năng xảy ra thì số lượng photon càng dao động. (Ảnh: J. Schmitt, Đại học Bonn)

“Siêu photon” được tạo thành từ hàng nghìn hạt ánh sáng

Ngưng tụ Bose-Einstein là những dạng vật chất kỳ lạ có thể phát sinh do hiệu ứng cơ học lượng tử: Trong những điều kiện nhất định, các hạt, dù là nguyên tử, phân tử hay thậm chí là photon (hạt cấu thành ánh sáng), trở nên không thể phân biệt được. Hàng trăm hoặc hàng nghìn hạt hợp nhất thành một “siêu hạt” duy nhất – chất ngưng tụ Bose-Einstein (BEC). Trong chất lỏng ở nhiệt độ hữu hạn, các phân tử chuyển động tới lui một cách ngẫu nhiên. Chất lỏng càng ấm thì những dao động nhiệt này càng rõ rệt. Chất ngưng tụ Bose-Einstein cũng có thể dao động: Số lượng hạt ngưng tụ thay đổi. Và sự dao động này cũng tăng theo nhiệt độ tăng. Schmitt nhấn mạnh: “Nếu định lý dao động-tiêu tán áp dụng cho BEC, thì sự dao động về số lượng hạt của chúng càng lớn thì chúng càng phản ứng nhạy hơn với một nhiễu loạn bên ngoài”. “Thật không may, sự dao động về số lượng trong BEC thường được nghiên cứu ở các khí nguyên tử cực lạnh là quá nhỏ để kiểm tra mối quan hệ này.” Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu của Giáo sư Tiến sĩ Martin Weitz, trong đó Schmitt là trưởng nhóm nghiên cứu cấp dưới, làm việc với ngưng tụ Bose-Einstein tạo thành từ các photon. Và đối với hệ thống này, giới hạn không được áp dụng. Nhà vật lý, người gần đây đã giành được giải thưởng cao quý dành cho các nhà khoa học trẻ từ Liên minh Châu Âu, được gọi là Tài trợ khởi đầu ERC, giải thích: “Chúng tôi làm cho các photon trong BEC của chúng tôi tương tác với các phân tử thuốc nhuộm”. Khi các photon tương tác với các phân tử thuốc nhuộm, điều thường xảy ra là một phân tử “nuốt” một photon. Do đó thuốc nhuộm trở nên bị kích thích mạnh mẽ. Sau đó nó có thể giải phóng năng lượng kích thích này bằng cách “nhả ra” một photon.

Các photon năng lượng thấp ít bị nuốt hơn

Nhà vật lý cho biết: “Do tiếp xúc với các phân tử thuốc nhuộm, số lượng photon trong BEC của chúng tôi có những biến thiên lớn về mặt thống kê”. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu có thể kiểm soát chính xác cường độ của biến thể này: Trong thí nghiệm, các photon bị mắc kẹt giữa hai tấm gương, nơi chúng bị phản xạ qua lại theo kiểu trò chơi bóng bàn. Khoảng cách giữa các gương có thể thay đổi. Nó càng lớn thì năng lượng của photon càng thấp. Vì các photon năng lượng thấp ít có khả năng kích thích phân tử thuốc nhuộm (do đó chúng ít bị nuốt chửng hơn), số lượng hạt ánh sáng ngưng tụ hiện dao động ít hơn nhiều. Lúc này các nhà vật lí Bonn đã nghiên cứu xem mức độ dao động đó có liên quan như thế nào đến “phản ứng” của BEC. Nếu định lý dao động-tiêu tán đúng thì độ nhạy này sẽ giảm khi dao động giảm. Schmitt, người cũng là thành viên của Khu vực Nghiên cứu Xuyên ngành (TRA) “Vật chất” tại Đại học Bonn và Nhóm Xuất sắc “ML4Q – Vật chất và Ánh sáng cho máy tính lượng tử.” Giống như chất lỏng, giờ đây người ta có thể suy ra các đặc tính vi mô của ngưng tụ Bose-Einstein từ các thông số phản ứng vĩ mô có thể đo lường dễ dàng hơn. Schmitt nói: “Điều này mở ra một hướng cho các ứng dụng mới, chẳng hạn như xác định nhiệt độ chính xác trong các hệ quang tử phức tạp”.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Khuếch đại kiến ​​thức. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62217.php