MỘT RÔTO NẶNG MỘT MILIGAM, ĐỨNG YÊN NHỜ ĐƯỢC THEO DÕI

Trong hai mươi năm qua, các nhà vật lý đã học được cách điều khiển các vật thể cơ học ở gần giới hạn lượng tử của chúng — từ những bộ cộng hưởng kích thước nano nặng vài femtogam đến những tấm gương nặng nhiều kilôgam của các máy dò sóng hấp dẫn. Nhưng gần như tất cả đều là dao động tử (oscillator): có một thứ gì đó, như lò xo, kéo chúng trở về vị trí trung tâm. Hệ đơn giản nhất của cơ học lượng tử, hạt tự do, không có gì kéo nó trở lại, vẫn chưa chịu khuất phục trước sự điều khiển như vậy. Ở những tần số thấp nơi chuyển động tự do diễn ra, ma sát và nhiễu từ môi trường xung quanh lấn át tất cả.

Thế nhưng khối lượng tự do lại chính là thứ mà nhiều câu hỏi lớn cần đến: kiểm tra xem lực hấp dẫn có mang bản chất lượng tử hay không, thăm dò những đề xuất sửa đổi cơ học lượng tử, tìm kiếm những lực mới tác dụng ở khoảng cách ngắn.

Một tấm gương trên sợi thủy tinh

Umang Mishra, Teodor Strömberg, Onur Hosten và các đồng nghiệp tại Viện Khoa học và Công nghệ Áo (Institute of Science and Technology Austria) đã chế tạo vật thể thử nghiệm: một thanh gương bằng silica nung chảy nặng 1 miligam, dài 2 milimet, treo trên một sợi silica nung chảy dài 15 centimét và dày 1 micromet, trong chân không dưới 10⁻¹⁰ milibar. Nói một cách chặt chẽ, đó là một con lắc xoắn, lắc qua lắc lại một lần sau mỗi 15 giây. Nhưng ở những thang thời gian quan trọng ở đây, cỡ vài chục mili giây, nó hầu như không cảm nhận được lực kéo đó: nó hành xử như một vật thể tự do.

Mức độ cô lập của nó là cực độ. Nhóm nghiên cứu đã đo các mômen xoắn ngẫu nhiên xô đẩy nó và không tìm thấy nhiễu nào vượt quá mức mà một tốc độ tắt dần chỉ 7 nanohertz sinh ra. Nếu dùng làm gia tốc kế, đầu thanh sẽ nhạy hơn gần một trăm lần so với các thí nghiệm tốt nhất trước đây ở khối lượng này.

Để quan sát nó, một “đòn bẩy quang học kép” cho hai chùm laser phản xạ khỏi tấm gương theo hai hướng ngược nhau, sao cho sự rung lắc của chính chùm laser tự triệt tiêu và chỉ còn lại chuyển động quay của thanh. Một chùm tia thứ ba có thể đẩy thanh bằng áp suất ánh sáng. Toàn bộ hệ thống đặt trên một bệ cách ly địa chấn, và một giao thoa kế nhỏ với tấm gương treo riêng của nó theo dõi mọi chuyển động còn sót lại của bệ.

Phép đo thay cho bẫy

Ý tưởng then chốt là phép đo liên tục có thể thay thế cho bẫy. Nếu để yên, vị trí và vận tốc của một vật thể tự do ngày càng trở nên bất định hơn. Khi được đo không ngừng, quỹ đạo của nó lộ ra theo từng bước, và hiểu biết của chúng ta về trạng thái của nó ổn định thành một độ nhòe hữu hạn, không đổi. Ở đây, độ nhòe đó ổn định trong khoảng 26 mili giây.

Độ bất định còn lại đó có thể được quy thành một nhiệt độ, thông qua định nghĩa kinh điển liên hệ nhiệt độ với sự thay đổi entropy. “Nhiệt độ entropy” này cho biết chuyển động của rôto được biết rõ đến mức nào, và cho phép so sánh các vật thể tự do với các dao động tử.

Nhóm nghiên cứu đã bẫy thanh gương bằng ánh sáng, thả nó ra, rồi ghi lại góc quay của nó trong 100 đoạn, mỗi đoạn 1,25 giây. Hai cách tái dựng trạng thái của nó được so sánh: một ước lượng “nhân quả” chỉ dùng các phép đo trong quá khứ, và một ước lượng “làm trơn” dùng thêm cả các phép đo thực hiện sau đó. Sự khác biệt giữa hai cách cho ra một phương pháp mới để kiểm tra trạng thái thực sự được biết rõ đến đâu.

140 nanokelvin

• Chỉ từ dữ liệu quá khứ, trạng thái của rôto tương ứng với 1,2 microkelvin.
• Với phép làm trơn, nó giảm xuống 140 nanokelvin — 140 phần tỷ độ trên độ không tuyệt đối.

Mức này lạnh hơn khoảng hai bậc độ lớn so với các thí nghiệm để bàn trước đây với vật thể cơ học. Các tác giả lưu ý rằng nó đưa những hệ như vậy vào chế độ siêu lạnh, vốn cho đến nay chủ yếu gắn với các đám mây nguyên tử được làm lạnh bằng bay hơi. Phương pháp làm lạnh bằng phản hồi thông thường không thể đạt tới mức này.

Có một giới hạn dưới. Với mức độ cô lập này, mô hình dự đoán rằng nhiệt độ không thể xuống dưới khoảng 15 nanokelvin: theo nguyên lý bất định Heisenberg, đo vị trí càng tinh thì tốc độ quay càng bị nhòe đi.

Một khối lượng tự do yên tĩnh dùng để làm gì

Có ngay hai ứng dụng. Một số lý thuyết sửa đổi cơ học lượng tử sao cho độ nhòe lượng tử tự sụp đổ một cách tự phát, điều này sẽ thêm một sự rung rinh ngẫu nhiên, yếu ớt vào mọi vật thể. Độ tĩnh lặng đo được của rôto loại bỏ một vùng mới của các mô hình đó ở tần số thấp, bổ sung cho các giới hạn do sứ mệnh không gian LISA Pathfinder đặt ra.

Ứng dụng thứ hai là lực hấp dẫn. Liệu lực hấp dẫn có thể làm hai khối lượng vướng víu với nhau hay không là một câu hỏi mở trọng tâm. Theo thước đo hiệu năng của nhóm nghiên cứu, hai rôto như vậy đã vượt mọi hệ từng được chứng minh trước đây gần hai bậc độ lớn về tỷ số giữa việc tạo ra vướng víu và việc đánh mất nó, dù vẫn còn cách xa mục tiêu. Theo các tác giả, việc thêm một hốc quang học khiêm tốn để đọc chuyển động quay sẽ đưa độ thuần khiết cần thiết vào tầm với.