pH của dung dịch - Hóa 11 - Thầy Phạm Thanh Tùng
Mục lục:
Người ta có thể nghĩ rằng nhíp quang học - một chùm tia laser tập trung có thể bẫy các hạt nhỏ - bây giờ là chiếc mũ cũ. Rốt cuộc, chiếc nhíp đã được Arthur Ashkin phát minh vào năm 1970. Và ông đã nhận được giải thưởng Nobel cho năm nay - có lẽ sau khi ý nghĩa chính của nó đã được nhận ra trong nửa thế kỷ qua.
Thật đáng ngạc nhiên, điều này là xa sự thật. Nhíp quang học đang tiết lộ các khả năng mới trong khi giúp các nhà khoa học hiểu về cơ học lượng tử, lý thuyết giải thích tự nhiên dưới dạng các hạt hạ nguyên tử.
Lý thuyết này đã dẫn đến một số kết luận kỳ lạ và phản trực giác. Một trong số đó là cơ học lượng tử cho phép một vật thể tồn tại ở hai trạng thái thực tế khác nhau cùng một lúc. Ví dụ, vật lý lượng tử cho phép một cơ thể ở hai vị trí khác nhau trong không gian đồng thời - hoặc cả người chết và người sống, như trong thí nghiệm tư tưởng nổi tiếng của mèo Schrödinger.
Tên kỹ thuật cho hiện tượng này là chồng chất. Sự chồng chất đã được quan sát cho các vật thể nhỏ như các nguyên tử đơn lẻ. Nhưng rõ ràng, chúng ta không bao giờ thấy một sự chồng chất trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Ví dụ: chúng tôi không thấy một tách cà phê ở hai địa điểm cùng một lúc.
Để giải thích cho quan sát này, các nhà vật lý lý thuyết đã gợi ý rằng đối với các vật thể lớn - ngay cả đối với các hạt nano chứa khoảng một tỷ nguyên tử, các vụ nổ đã sụp đổ nhanh chóng sang một hoặc hai khả năng khác, do sự phá vỡ của cơ học lượng tử tiêu chuẩn. Đối với các đối tượng lớn hơn tốc độ sụp đổ nhanh hơn. Đối với mèo Schrodinger sườn, sự sụp đổ này - đối với sống còn sống hoặc giết chết - sẽ thực sự tức thời, giải thích lý do tại sao chúng ta không bao giờ thấy sự chồng chất của một con mèo ở hai trạng thái cùng một lúc.
Cho đến gần đây, những lý thuyết sụp đổ này, không thể kiểm tra các cơ chế lượng tử trong sách giáo khoa, vì rất khó để chuẩn bị một vật thể lớn trong sự chồng chất. Điều này là do các vật thể lớn hơn tương tác với môi trường xung quanh nhiều hơn các nguyên tử hoặc các hạt hạ nguyên tử - dẫn đến rò rỉ nhiệt làm phá hủy các trạng thái lượng tử.
Là các nhà vật lý, chúng tôi quan tâm đến các lý thuyết sụp đổ bởi vì chúng tôi muốn hiểu rõ hơn về vật lý lượng tử, và đặc biệt bởi vì có những dấu hiệu lý thuyết cho thấy sự sụp đổ có thể là do tác động của lực hấp dẫn. Một mối liên hệ giữa vật lý lượng tử và lực hấp dẫn sẽ rất thú vị khi tìm thấy vì tất cả các vật lý đều dựa trên hai lý thuyết này và mô tả thống nhất của chúng - cái gọi là Lý thuyết vạn vật - là một trong những mục tiêu lớn của khoa học hiện đại.
Nhập máy nhíp quang
Nhíp quang học khai thác thực tế là ánh sáng có thể gây áp lực lên vật chất. Mặc dù áp suất bức xạ từ một chùm tia laser cực mạnh là khá nhỏ, Ashkin là người đầu tiên cho thấy nó đủ lớn để hỗ trợ hạt nano, chống lại trọng lực, đẩy nó một cách hiệu quả.
Vào năm 2010, một nhóm các nhà nghiên cứu đã nhận ra rằng một hạt nano như vậy được giữ bởi một nhíp quang học được cách ly tốt với môi trường của nó vì nó không tiếp xúc với bất kỳ sự hỗ trợ vật liệu nào. Theo những ý tưởng này, một số nhóm đề xuất các cách để tạo và quan sát sự chồng chất của hạt nano tại hai vị trí không gian riêng biệt.
Một kế hoạch hấp dẫn được đề xuất bởi các nhóm của Tongcang Li và Lu Ming Duan vào năm 2013 liên quan đến một tinh thể nano trong một nhíp. Các hạt nano không ngồi yên trong nhíp. Thay vào đó, nó dao động như một con lắc giữa hai vị trí, với lực phục hồi đến từ áp suất bức xạ do tia laser. Hơn nữa, tinh thể nano kim cương này chứa một nguyên tử nitơ gây ô nhiễm, có thể được coi là một nam châm nhỏ, với cực bắc (N) và cực nam (S).
Chiến lược Li-Duan bao gồm ba bước. Đầu tiên, họ đề xuất làm mát chuyển động của hạt nano đến trạng thái mặt đất lượng tử của nó. Đây là trạng thái năng lượng thấp nhất mà loại hạt này có thể có. Chúng ta có thể mong đợi rằng ở trạng thái này, hạt ngừng chuyển động xung quanh và không dao động chút nào. Tuy nhiên, nếu điều đó xảy ra, chúng ta sẽ biết hạt ở đâu (ở trung tâm của nhíp), cũng như nó di chuyển nhanh như thế nào (hoàn toàn không). Nhưng kiến thức hoàn hảo đồng thời về cả vị trí và tốc độ không được cho phép bởi nguyên lý bất định Heisenberg nổi tiếng của vật lý lượng tử. Do đó, ngay cả ở trạng thái năng lượng thấp nhất, hạt di chuyển xung quanh một chút, vừa đủ để thỏa mãn các định luật cơ học lượng tử.
Thứ hai, sơ đồ Li và Duan yêu cầu nguyên tử nitơ từ tính phải được chuẩn bị trong sự chồng chất của cực bắc của nó hướng lên cũng như xuống.
Cuối cùng, một từ trường là cần thiết để liên kết nguyên tử nitơ với chuyển động của tinh thể kim cương bay lên. Điều này sẽ chuyển sự chồng chất từ tính của nguyên tử sang vị trí chồng chất của tinh thể nano. Sự chuyển đổi này được kích hoạt bởi thực tế là nguyên tử và hạt nano bị vướng bởi từ trường. Nó xảy ra theo cùng một cách mà sự chồng chất của mẫu phóng xạ bị phân rã và không bị phân rã được chuyển thành sự chồng chất của mèo Schrodinger vào các trạng thái chết và còn sống.
Chứng minh lý thuyết sụp đổ
Những gì đã cho răng công việc lý thuyết này là hai phát triển thử nghiệm thú vị. Ngay trong năm 2012, các nhóm của Lukas Novotny và Romain Quidant đã chỉ ra rằng có thể làm mát hạt nano quang học đến một phần trăm độ trên độ không tuyệt đối - nhiệt độ thấp nhất về mặt lý thuyết - bằng cách điều chỉnh cường độ của nhíp quang học. Hiệu quả tương tự như làm chậm một đứa trẻ trên xích đu bằng cách đẩy đúng lúc.
Năm 2016, các nhà nghiên cứu tương tự đã có thể hạ nhiệt đến một phần mười của một mức trên độ không tuyệt đối. Trong khoảng thời gian này, các nhóm của chúng tôi đã xuất bản một bài báo xác định rằng nhiệt độ cần thiết để đạt đến trạng thái mặt đất lượng tử của hạt nano xoắn là khoảng một phần triệu độ trên độ không tuyệt đối. Yêu cầu này là thách thức, nhưng trong tầm với của các thí nghiệm đang diễn ra.
Sự phát triển thú vị thứ hai là sự bay lên thử nghiệm của một nanodihua mang nitơ trong năm 2014 trong nhóm Nick Vamivakas. Sử dụng một từ trường, họ cũng có thể đạt được sự ghép nối vật lý của nguyên tử nitơ và chuyển động tinh thể theo bước thứ ba của sơ đồ Li-Duan.
Cuộc đua hiện đang tiến đến trạng thái cơ bản để - theo kế hoạch Li-Duan - một vật thể tại hai địa điểm có thể được quan sát sụp đổ thành một thực thể duy nhất. Nếu các chồng chất bị phá hủy theo tốc độ được dự đoán bởi các lý thuyết sụp đổ, cơ học lượng tử như chúng ta biết nó sẽ phải được sửa đổi.
Bài viết này ban đầu được xuất bản trên Cuộc trò chuyện của Mishkat Bhattacharya và Nick Vamivakas. Đọc văn bản gôc ở đây.