Bạn đã bao giờ xem chúng ta có thể thao túng các nguyên tử không? Như chúng ta đã biết, các chất chúng ta gặp trong cuộc sống hàng ngày thường được cấu tạo từ nhiều nguyên tử hoặc phân tử rất nhỏ. Ví dụ, oxy được tạo thành từ các phân tử oxy. Những chất này có thể không phải là chuyển động tổng thể, nhưng các hạt bên trong chúng thì không bao giờ kết thúc “chuyển động nhiệt”. Tốc độ chuyển động nhiệt này có quan hệ tỷ lệ thuận với nhiệt độ của nó, nhiệt độ càng cao thì chuyển động nhiệt càng nhanh. Ví dụ, ở 0 ° C, nhiệt độ lạnh đối với cơ thể chúng ta, các phân tử oxy trong không khí (hoặc nguyên tử natri trong hơi natri) thực sự đang chuyển động với tốc độ nhiệt ngẫu nhiên ~ 500m / s. Những phân tử khí này có vẻ như không chuyển động, nhưng chúng thực sự chuyển động nhanh hơn cả máy bay chở khách của chúng ta!
Các nhà khoa học nghiên cứu liệu chúng ta có thể thao túng các nguyên tử. Do đó, nếu chúng ta muốn điều khiển một nguyên tử chính xác ở cấp độ vi mô, chúng ta phải tìm cách làm nó chậm lại, tức là làm “nguội” nhiệt độ của cụm nguyên tử. Theo nguyên tử lạnh, chúng ta có nghĩa là các nguyên tử có nhiệt độ theo bậc nhỏ hơn mK, khi chuyển động nhiệt của nguyên tử gần bằng hoặc nhỏ hơn 1 m / s. Công nghệ nguyên tử lạnh ngày nay thậm chí có thể làm lạnh các nguyên tử đến nhiệt độ nhỏ hơn 1 μK, khi chúng ta có thể giữ một nguyên tử đơn lẻ như một chiếc nhíp và điều khiển nó với độ chính xác lượng tử. Phương pháp này có thể được sử dụng cho “tính toán lượng tử”. Ngoài ra, các hệ thống nguyên tử lạnh cũng có thể được sử dụng cho các phép đo chính xác, và hiện nay người ta có thể sử dụng “đồng hồ” nguyên tử lạnh để đo thời gian với độ chính xác đến mức nó chỉ mất một giây trong 300 tỷ năm. Thuyết tương đối rộng cho chúng ta biết rằng trường hấp dẫn càng mạnh thì thời gian càng chậm. Với kỹ thuật này, người ta thậm chí có thể đo hiệu ứng “dịch chuyển đỏ do hấp dẫn” trong phạm vi một milimét chiều cao trên mặt đất. Một số thí nghiệm đã tranh luận rằng liệu chúng ta có thể thao túng các nguyên tử. Vì vậy, chúng ta có thể thao tác các nguyên tử?
Các nhà khoa học tại một trường đại học công nghệ danh tiếng của Mỹ đã chứng minh thành công cách điều khiển các nguyên tử trong một nghiên cứu mới, nỗ lực đầu tiên của con người để điều khiển chúng theo cách này, với mục đích làm cho chúng tương tác với nhau với mức độ kiểm soát chưa từng có. Bằng cách sử dụng chính xác ánh sáng và từ trường truyền qua, các nhà khoa học đã lập trình một đường thẳng của nguyên tử thành các mẫu khác như cái cây, một vòng xoắn gọi là dải Mobius. Những hình dạng này không được tạo ra bằng cách chuyển động vật lý của các nguyên tử, mà bằng cách kiểm soát cách chúng trao đổi các hạt và đồng bộ hóa để chia sẻ các đặc tính nhất định. Bằng cách thao tác cẩn thận những tương tác này, các nhà khoa học đã có thể tạo ra một số lượng lớn các hình dạng hình học.
Các nhà khoa học cũng chia sẻ một phát hiện quan trọng rằng các nguyên tử có chung một số tương tác mạnh mẽ bất kể vị trí và khoảng cách không gian thực của chúng. Những phát hiện này đại diện cho một bước quan trọng trong sự phát triển của các kỹ thuật tính toán và mô phỏng tiên tiến dựa trên các quy luật cơ học lượng tử, một mô tả toán học về cách các hạt chuyển động và tương tác trên quy mô nguyên tử.
“Trong bài báo này, chúng tôi chứng minh một cấp độ kiểm soát hoàn toàn mới đối với khả năng lập trình của các tương tác trong các hệ thống cơ lượng tử.” Các nhà khoa học giải thích, “Chúng tôi đã chọn các hình học đơn giản, chẳng hạn như các vòng và chuỗi ngắt kết nối, nhằm mục đích chứng minh nguyên lý, nhưng chúng tôi cũng tạo ra các hình học phức tạp hơn, bao gồm các cấu trúc giống bậc thang và các tương tác dạng cây, có thể được áp dụng để mở các vấn đề trong vật lý. “
Các nhà khoa học cũng bắn tia laze vào buồng chân không để bẫy các nguyên tử rubidi, làm chậm chuyển động của chúng và làm lạnh chúng đến phạm vi không độ tuyệt đối, nơi các hiệu ứng cơ lượng tử có thể ghi đè các hiệu ứng vật lý cổ điển và do đó cho phép thao tác cơ học lượng tử của các nguyên tử. Bằng cách truyền ánh sáng qua chùm nguyên tử theo cách này, nó cũng là một cách để làm cho các nguyên tử “nói chuyện” với nhau. Khi ánh sáng chiếu vào từng nguyên tử, nó sẽ truyền thông tin giữa chúng, tạo ra một mô hình gọi là “tương quan”, trong đó mỗi nguyên tử có một số đặc tính cơ lượng tử mong muốn, cách được mô tả ở trên cho các tương tác mạnh.