Lần đầu tiên trong lịch sử, chụp được ảnh nguyên tử 'trôi nổi tự do'

Lịch sử ngành vật lý lượng tử vừa ghi nhận một cột mốc đột phá: các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã lần đầu tiên chụp được hình ảnh trực tiếp của các nguyên tử khi chúng đang trôi nổi một cách tự do trong không gian ba chiều. Đây không chỉ là thành tựu kỹ thuật đầy ấn tượng mà còn mở ra cánh cửa cho việc quan sát các hiện tượng lượng tử phức tạp ở cấp độ vi mô, một lĩnh vực vốn trước đây chỉ có thể được mô phỏng hoặc suy luận gián tiếp.

Trong suốt nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã cố gắng theo dõi cách nguyên tử di chuyển và tương tác trong môi trường tự nhiên. Tuy nhiên, mọi phương pháp trước đây đều có hạn chế lớn: hoặc nguyên tử phải bị giữ trong một trạng thái bị “giam cầm” nhân tạo như trong các bẫy từ hoặc bẫy quang, hoặc phải được làm lạnh đến gần độ không tuyệt đối để dễ quan sát. Những điều kiện đó, tuy cần thiết, lại không phản ánh đúng cách nguyên tử hành xử trong trạng thái tự do và tương tác tự nhiên.

Trong suốt nhiều thập kỷ, các nhà vật lý đã cố gắng theo dõi cách nguyên tử di chuyển và tương tác trong môi trường tự nhiên.

Để vượt qua rào cản đó, nhóm nghiên cứu của MIT do Giáo sư Martin Zwierlein dẫn đầu đã phát triển một kỹ thuật hoàn toàn mới. Họ sử dụng một mạng lưới ánh sáng được điều chỉnh cực kỳ chính xác để “đóng băng” vị trí của các nguyên tử chỉ trong một khoảnh khắc ngắn ngủi, đủ để camera lượng tử có thể ghi lại hình ảnh. Ngay sau đó, một hệ thống laser thứ hai được kích hoạt, chiếu sáng nguyên tử và cho phép thu lại hình ảnh với độ chi tiết cực cao. Điều đặc biệt là các nguyên tử vẫn được phép tiếp tục chuyển động một cách tự nhiên trước và sau khi bị chụp ảnh, nhờ đó tái hiện đúng trạng thái "tự do" vốn có.

Thí nghiệm được thực hiện với hai loại nguyên tử điển hình: natri và liti. Natri là một boson, loại hạt có thể chia sẻ cùng một trạng thái lượng tử với các hạt khác, tạo nên hiện tượng sóng lượng tử kết hợp, điển hình như trong trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein. Ngược lại, liti là một fermion, không thể chia sẻ trạng thái lượng tử giống nhau do bị ràng buộc bởi nguyên lý Pauli. Điều này khiến liti có cách tương tác phức tạp hơn, đặc biệt là khả năng tạo thành các cặp hạt tương tự như cặp electron trong chất siêu dẫn.

Họ sử dụng một mạng lưới ánh sáng được điều chỉnh cực kỳ chính xác để “đóng băng” vị trí của các nguyên tử chỉ trong một khoảnh khắc ngắn ngủi

Việc có thể trực tiếp quan sát hai loại hạt này trong cùng một môi trường không chỉ xác thực lại nhiều giả thuyết lý thuyết trong cơ học lượng tử mà còn là công cụ cực kỳ quan trọng để hiểu rõ hơn về cấu trúc vật chất ở cấp độ cơ bản nhất. Đây được xem là một bước tiến gần hơn đến việc điều khiển được các hiện tượng lượng tử, thứ mà giới khoa học vẫn kỳ vọng sẽ cách mạng hóa nhiều lĩnh vực như máy tính lượng tử, vật liệu siêu dẫn hay thậm chí là công nghệ truyền tải năng lượng không dây.

Chia sẻ về thành tựu này, Giáo sư Zwierlein không giấu nổi sự hào hứng: “Chúng tôi thực sự có thể nhìn thấy từng nguyên tử riêng lẻ trong các đám mây nguyên tử. Cảnh tượng đó gần như không thể tin nổi. Nó không khác gì một tấm bản đồ chi tiết của thế giới lượng tử, lần đầu tiên được vén màn”.

Nghiên cứu này, ngoài việc mang tính biểu tượng về mặt khoa học, còn mở ra tiềm năng ứng dụng khổng lồ nếu được triển khai vào công nghệ thực tiễn. Một ngày không xa, những hiểu biết từ những hình ảnh nguyên tử đầu tiên có thể là nền móng cho thế hệ máy tính lượng tử thực sự, các hệ thống cảm biến siêu nhạy và vật liệu mới chưa từng có.