NASA đi tiên phong trong lĩnh vực hóa học lượng tử không gian tại Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh trên Trạm Vũ trụ Quốc tế

Với khả năng mới này, Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh giờ đây không chỉ có thể nghiên cứu các tính chất lượng tử của từng nguyên tử mà còn cả hóa học lượng tử, nghiên cứu cách các loại nguyên tử khác nhau tương tác và kết hợp với nhau ở trạng thái lượng tử. Các nhà nghiên cứu sẽ có thể sử dụng Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh để tiến hành nhiều thí nghiệm hơn và tìm hiểu thêm về các sắc thái của việc tiến hành thí nghiệm trong môi trường vi trọng lực. Kiến thức này rất quan trọng để phát triển các công nghệ lượng tử mới dựa trên không gian bằng cách sử dụng cơ sở độc đáo này.

Tiến bộ hóa học lượng tử

Thế giới vật chất xung quanh chúng ta phụ thuộc vào các nguyên tử và phân tử kết hợp với nhau theo những quy luật đã được thiết lập. Nhưng các quy luật khác nhau chiếm ưu thế hoặc yếu đi tùy thuộc vào môi trường mà các nguyên tử và phân tử tìm thấy chúng, chẳng hạn như vi trọng lực. Các nhà khoa học sử dụng phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh đang khám phá các kịch bản trong đó tính chất lượng tử của nguyên tử chi phối hành vi của nó. Ví dụ, các nguyên tử và phân tử hành xử ít giống quả bóng bi-a rắn mà giống sóng hơn.

Trong một trong những trường hợp này, các nguyên tử trong phân tử hai nguyên tử hoặc ba nguyên tử có thể liên kết với nhau nhưng phát triển xa nhau hơn, gần như thể phân tử trở nên bông xốp. Để nghiên cứu những trạng thái này, trước tiên các nhà khoa học cần làm chậm các nguyên tử. Để làm được điều này, họ cần làm lạnh các nguyên tử đến nhiệt độ cao hơn một phần so với nhiệt độ thấp nhất mà vật chất có thể đạt tới (xem video bên dưới), thấp hơn nhiều so với bất kỳ nhiệt độ nào trong vũ trụ tự nhiên: độ không tuyệt đối, hay âm 459 độ F (âm 273 độ C).

Phòng thí nghiệm nguyên tử lạnh của NASA trên Trạm vũ trụ quốc tế làm lạnh các nguyên tử đến nhiệt độ một phần tỷ độ trên độ không tuyệt đối, nhiệt độ tại đó các nguyên tử ngừng chuyển động hoàn toàn. Không nơi nào trong vũ trụ mà nguyên tử đạt đến nhiệt độ này một cách tự nhiên. Nhưng làm thế nào các nhà khoa học có thể thực hiện được kỳ tích này? Đó là một quá trình ba bước. Đầu tiên, các nhà khoa học tấn công các nguyên tử bằng tia laser được điều chỉnh chính xác để làm chúng chậm lại.

Các nhà vật lý đã tạo ra những phân tử mịn như vậy trong các thí nghiệm nguyên tử lạnh trên mặt đất, nhưng chúng cực kỳ mỏng manh và nhanh chóng tan rã hoặc sụp đổ trở lại trạng thái phân tử bình thường. Do đó, các phân tử khuếch đại có ba nguyên tử chưa bao giờ được chụp ảnh trực tiếp. Trong môi trường vi trọng lực của trạm vũ trụ, các phân tử mỏng manh có thể tồn tại lâu hơn và có khả năng phát triển lớn hơn, vì vậy các nhà vật lý rất hào hứng bắt đầu tiến hành các thí nghiệm sử dụng khả năng mới của Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh.

Những biên giới mới trong vật lý

Những loại phân tử này có thể không tồn tại trong tự nhiên, nhưng chúng có thể được sử dụng để tạo ra các máy dò nhạy cảm, chẳng hạn như có thể tiết lộ những thay đổi nhỏ về cường độ từ trường hoặc bất kỳ nhiễu loạn nào khác khiến chúng bị vỡ hoặc sụp đổ.

Jason Williams thuộc Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực của NASA ở Nam California là nhà khoa học dự án tại Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh và là một trong những đồng tác giả của nghiên cứu mới. “Giống như chúng tôi phát hiện ra một chiếc búa và chúng tôi mới bắt đầu xem xét mọi cách để sử dụng nó,” ông nói.