10 sự kiện vật lý nổi bật năm 2007

Giờ đây, Lene Hau và cộng sự, ĐH Harvard, có thể “tạm dừng” và lưu trữ tín hiệu ánh sáng trong một đám khí nguyên tử siêu lạnh. Trong thí nghiệm các nhà khoa học đã chiếu một xung ánh sáng vào một đám nguyên tử Natri ở trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein (BEC), và sau đó khôi phục lại tín hiệu ánh sáng ở một đám nguyên tử Natri ở trạng thái BEC thứ hai cách đó 160 micron. Như vậy, ánh sáng laser có thể “đi” chậm đến mức gần như…dừng hẳn.
Với thành công tuyệt vời này, việc chia sẻ thông tin lượng tử có thể thực hiện dưới dạng ánh sáng, và hơn nữa, không chỉ trong một dạng mà có thể tiến hành theo hai dạng nguyên tử. Sự kiện này sẽ trở thành một cú “hích” lớn trên con đường phát triển các máy tính lượng tử và thông tin quang học.

Quan sát chui hầm của điện tử
 

Khi chiếu một xung laser vào nguyên tử có thể “giải thoát” các điện tử khỏi nguyên tử. Tuy nhiên, quá trình này xảy ra trong một phần tỷ tỷ giây nên từ trước đến nay, các nhà khoa học chỉ có thể quan sát được các hiệu ứng gián tiếp như sự iôn hóa của nguyên tử. Nhưng vừa qua, hiệu ứng chui hầm của điện tử trong nguyên tử đã được nhóm nghiên cứu ba nước Đức-Úc-Hà Lan quan sát trong “thời gian thực”. Với một kỹ thuật mới, Ferenc Krausz và cộng sự đã sử dụng hai xung laser với các bước sóng khác nhau, một xung hồng ngoại và một xung tử ngoại cực ngắn, chiếu vào đám khí nguyên tử Neon. Bằng việc thay đổi độ trễ của xung, nhóm nghiên cứu đã quan sát được hiệu ứng chui hầm của điện tử với độ phân giải dưới femto giây.
Kỹ thuật này sẽ mở ra một triển vọng đầy hứa hẹn trong lĩnh vực quang tử, vi điện tử và chụp ảnh sinh học.

Những tia vũ trụ có năng lượng cao nhất
 

Hầu hết các tia vũ trụ đến từ bên trong Dải Ngân Hà, đặc biệt là Mặt trời, nhưng vẫn có một lượng tia vũ trụ đến từ khoảng không gian ngoài Ngân Hà. Điều thú vị nhất là những cơn mưa rào tia vũ trụ có năng lượng trên 1019 eV, cao hơn năng lượng của bất cứ hạt cơ bản nào được tạo ra trong các máy gia tốc trên quả đất.
Trước khi đến Trái đất, hầu hết các tia vũ trụ đã “chu du” trong không gian liên thiên hà, nơi từ trường có thể làm chệch hướng quỹ đạo ban đầu của chúng. Nhưng đối với các tia vũ trụ có năng lượng đặc biệt lớn, từ trường cũng không “đủ sức” tác động và hầu như chúng vẫn giữ nguyên quỹ đạo ban đầu. Các nhà khoa học có thể lần theo dấu vết để biết chúng đến từ đâu trong không gian và khẳng định rằng, những tia vũ trụ năng lượng đặc biệt cao đến từ nhân các thiên hà hoạt động, nơi các lỗ đen khổng lồ đóng vai trò như những  “máy gia tốc hạt”, tạo ra những hạt có năng lượng thậm chí cao hơn 57 EeV. Kết luận này đã được đưa ra bởi các nhà khoa học làm việc tại Đài thiên văn Piere Auger ở Argentina. Đài thiên văn này là tập hợp một dãy các detector trải rộng trên một bình địa 3000 km2, và chỉ để tìm kiếm một thứ: mưa rào tia vũ trụ.

Định luật thứ hai của Newton
 

Được xem là trụ cột của vật lý học cổ điển, định luật hai Newton nói rằng, lực tác dụng lên vật tỷ lệ thuận với gia tốc. Định luật này đã được kiểm chứng một cách ngoạn mục và… “vẫn đúng” ở giá trị gia tốc 5.10-14m/s2, chính xác hơn một nghìn lần các thí nghiệm kiểm tra trước đó. Trong thí nghiệm mới, các nhà khoa học ở Đại học Washington đã sử dụng một con lắc xoắn, một dạng đặc biệt của con lắc, ở đó, lực phục hồi không phải lực hấp dẫn mà được cung cấp bởi một sợi dây xoắn vô cùng mảnh.
Định luật hai Newton bị vô hiệu hóa trong không gian hạ nguyên tử. Nhưng trong thí nghiệm này, con lắc có khối lượng 70 g và chứa 1024 nguyên tử thì những xem xét lượng tử không còn quan trọng. Theo nhà khoa học Jens Gundlach, với sự khẳng định cho rằng, lực tỷ lệ thuận với gia tốc có thể ảnh hưởng đến những thảo luận sâu hơn về hai sự kiện chưa lý giải trong khoa học: Những tính chất dị thường trong đường cong quay của các thiên hà gợi ý rằng, hoặc tồn tại một lực hấp đã bên ngoài tạo bởi vật chất tối không nhìn thấy hoặc trong một dạng mới của Định luật hai Newton (Động lực học Newton hiệu chỉnh-MOND); Những bí mật xung quanh sự tăng tốc nhỏ bất thường đối với tàu không gian Pioneer 10, Pioneer 11, Galileo và Ulysses trên quỹ đạo trong Hệ mặt trời.

Cặp Cooper trong chất cách điện
 

Một thí nghiệm tại đại học Brown đã đo điện trở của một lát tạo bởi các cụm nguyên tử bismuth rải trên một lớp nền với các lỗ đường kính 27nm và cách nhau 100 nm. Các tấm fim bismuth này sẽ là chất siêu dẫn nếu mẫu vật tạo ra bởi nhiều lớp nguyên tử, nhưng cũng có thể trở thành chất cách điện nếu fim này chỉ mỏng vào khoảng vài lớp nguyên tử.
Ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển tiếp (2K), với pha siêu dẫn, điện trở giảm dần xuống tới 0, còn với pha cách điện, điện trở của bismuth lại vô cùng lớn. Cặp Cooper là nguyên nhân cốt lõi của hiện tượng siêu dẫn, và ngày nay chúng được tìm thấy ngay cả trong các chất cách điện. Với một phương pháp đo mở rộng, bằng cách quan sát hiện tượng xảy ra đối với điện trở khi từ trường được nâng lên cao. Dưới tác động của từ trường tăng dần, điện trở sẽ dao động một cách tuần hoàn, với một chu kỳ tỉ lệ thuận với điện tích của hạt dẫn. Từ tính tuần hoàn này, tỉ lệ được phát hiện ra lớn gấp 2 lần so với điện tích của electron; các nhà vật lý tại đại học Brown đã kết luận rằng chúng chính là các cặp đôi điện tích chuyển động trong mẫu vật. Nói cách khác, cặp Cooper hình thành ngay trong các chất cách điện. Điều này chỉ đúng với điều kiện nhiệt độ cực thấp, vài  mK. Sự hình thành của một boson cách điện sẽ mở ra những khám phá mới về liên hệ giữa các chất cách điện và các chất siêu dẫn.

Làm lạnh vật có kích thước đồng xu bằng laser
 

Làm lạnh một vật có kích thước một đồng xu bằng laser xuống dưới 1 K đã trở thành hiện thực. Các nhà khoa học làm việc tại phòng thí nghiệm LIGO ở MIT, Caltech, Viện nghiên cứu Max Planck ở Postdam, Hannover đã sử dụng những chùm laser để làm lạnh một mảnh gương có kích thước một đồng xu với khối lượng 1 gam xuống nhiệt độ 0.8 K. Mục đích của việc làm lạnh này là để khám phá các tính chất lượng tử của những đối tượng vật chất “lớn”. Từ trước tới nay, giới khoa học chỉ có thể làm lạnh được những “mẫu vật” nhỏ ở kích thước nano và khối lượng chỉ đạt vài microgam.
Có một thực tế là tất cả các thí nghiệm làm lạnh chỉ xảy ra trong không gian một chiều. Nhiệt độ 1K áp dụng cho những chuyển động của nguyên tử dọc theo chùm laser, trong khi gương lại tự do cho việc chuyển động trong những chiều khác. Kết quả, nếu bạn chạm vào mẫu vật sẽ không cảm thấy lạnh… cứng.

Hiệu ứng cong của không-thời gian
 

Đài thiên văn không gian Gravity Probe B (GP-B) có sứ mệnh kiểm tra thuyết tương đối rộng của Einstein. Không ngoài dự liệu, đài thiên văn này đã “đo” được hiệu ứng cong của không-thời gian xung quanh Trái đất với độ chính xác 1%. Hướng tiếp cận cơ bản để nghiên cứu hiệu ứng tinh tế này là quan sát hiện tượng tiến động của con quay hồi chuyển gắn trên tàu không gian chuyển động trên quỹ đạo cực quanh Trái đất. Tốc độ tiến động quan sát được có giá trị 6.6 giây cung/năm, khá gần với tiên đoán của thuyết tương đối rộng.
Với những kỹ thuật tiên tiến nhất được sử dụng để tạo nên những chi tiết hoàn hảo nhất từ trước đến nay cho phép GP-B có thể tiến hành những phép đo đạt độ chính xác hơn bao giờ hết. Thuyết tương đối đã tạo nên một cuộc cách mạng trong khoa học. Tuy nhiên, nhiều tiên đoán của lý thuyết này vẫn nằm ngoài khả năng thẩm định bởi con người. Một lần nữa, những kết quả của GP-B đã củng cố niềm tin của chúng ta.

“Tăng tốc” tìm kiếm Higgs ở Tevatron
 

Các nhà vật lý làm việc tại máy va chạm Tevatron ở Femilab đang “bội thu” các kết quả nghiên cứu trên con đường “săn lùng” boson Higgs.
Boson Higgs được tiên đoán bởi Mô hình chuẩn của vật lý năng lượng cao và giả thuyết chiếm phần lớn khối lượng của vũ trụ. Các hạt này tồn tại trong những thời khắc rất sớm, khi vũ trụ “chào đời”. Vũ trụ “lạnh” đi, boson W và Z (hạt mang tương tác yếu) đã “thu” được một khối lượng, trong khi photon (hạt mang tương tác điện từ) thì không. Chính sự bất đối xứng này làm cho hai tương tác hoạt động khác biệt trong suốt quá trình tiến hóa của vũ trụ. Tuy nhiên, ở thang năng lượng cao, hai tương này thống nhất làm một. Mô hình chuẩn tiên đoán rằng, khối lượng của Higgs khoảng 100GeV-1TeV. Các hạt Higgs có thể được tạo ra trong phòng thí nghiệm bằng việc cho các proton và phản proton va chạm với nhau ở thang năng lượng cỡ 2 TeV.
Các nhà khoa học ở Fermilab đang có được những bằng chứng đầu tiên chỉ ra sự hiện diện của các boson Higgs. Nếu các kết quả được khẳng định rất có thể giới vật lý phải mở rộng Lý thuyết trường chuẩn hạt cơ bản.

Chỉ tồn tại 3 loại neutrino
 

Các thí nghiệm khoa học đã chỉ ra rằng, các hạt neutrino có khối lượng vô cùng nhỏ, thậm chí không có khối lượng, chỉ tương tác thông qua hấp hẫn hoặc lực hạt nhân yếu, và có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác. Những dao động của neutrino xảy ra trong ba dạng được ghi nhận bởi mô hình chuẩn trong vật lý hạt cơ bản: neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau. Tuy nhiên, trong thí nghiệm LSND ở Los Alamos, các nhà khoa học lại ám chỉ tồn tại một loại neutrino thứ tư, “neutrino sterile”, chỉ tương tác với hấp dẫn.
Ngay lập tức các nhà khoa học ở Fermilab cùng bắt tay săn lùng dấu vết của loại neutrino thứ tư này. Với hàng loạt thí nghiệm MiniBooNE tiến hành ở Fermilab, các nhà khoa học đã tìm ra những bằng chứng thuyết phục chứng tỏ rằng, không tồn tại loại neutrino thứ tư như giả định.

Xung ánh sáng ngắn nhất
 

Các nhà nghiên cứu ở Italy đã tạo ra được xung laser ngắn nhất từ trước tới nay-một vụ nổ riêng biệt của ánh sáng tử ngoại chỉ kéo dài 130 atto giây. Trong thí nghiệm, chùm laser hồng ngoại cường độ mạnh được sử dụng để chiếu vào đám khí (thường là Argon hoạc Neon). Trường điện mạnh của laser có thể làm cho các điện tử dao động mạnh, sau đó chúng phát ra những xung laser cực ngắn chứa các photon năng lượng cao. Các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm quốc gia Italy tin rằng, với kỹ thuật hiện có, họ có thể tạo ra những xung laser ngắn hơn 100 atto giây.
Việc “thăm dò” cấu trúc bên trong các nguyên tử và phân tử bằng việc sử dụng các xung laser siêu ngắn có thể tiết lộ nhiều chi tiết mới về cơ chế hoạt động bên trong của chúng, mang lại nhiều lợi ích cho lĩnh vực nghiên cứu cơ bản cũng như những ứng dụng công nghiệp như điều khiển các phản ứng hóa học…