Những vật liệu lạnh nhất thế giới không nằm ở Nam Cực,
trên đỉnh Everest hay dưới một tảng băng,
mà từ các phòng thí nghiệm lý:
những đám mây khí với nhiệt độ chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài phần độ.
Lạnh hơn gấp 395 triệu lần tủ lạnh nhà bạn,
gấp 100 triệu lần ni-tơ lỏng,
và hơn 4 triệu lần so với ngoài không gian.
Những nhiệt độ thấp thế này giúp hé mở cánh cửa
vào thế giới vận động của vật chất
cho phép các kĩ sư tạo ra những thiết bị cực nhạy
cho ta biết nhiều hơn về mọi thứ
từ vị trí cụ thể của ta trên trái đất
đến những gì xảy ra ở rìa xa nhất của vũ trụ.
Vậy ta tạo ra những nhiệt độ khắc nghiệt này như thế nào?
Nói tóm tắt là bằng cách làm chậm các hạt chuyển động.
Khi nói về nhiệt độ, cái ta thực sự nói đến là chuyển động.
Những nguyên tử tạo thành chất rắn, lỏng, và khí
lúc nào cũng chuyển động.
Khi các nguyên tử chuyển động nhanh hơn, ta thấy chất đó nóng.
Khi các nguyên tử chuyển động chậm hơn, ta thấy chất đó lạnh.
Để làm lạnh một chất rắn hoặc khí nóng trong đời sống hàng ngày,
ta đưa chúng vào môi trường có nhiệt độ thấp hơn như tủ lạnh.
Một số chuyển động nguyên tử của vật nóng được chuyển sang môi trường xung quanh,
khiến nó nguội dần.
Nhưng điều này có một giới hạn:
ngay cả ngoài không gian cũng là quá nóng để có thể tạo nhiệt độ cực thấp.
Nên thay vào đó, các nhà khoa học đã tìm ra cách trực tiếp làm chậm nguyên tử -
bằng một chùm laser.
Trong đa số trường hợp, năng lượng trong chùm laser làm các vật nóng lên.
Nhưng nếu được sử dụng một cách chính xác,
động lượng của chùm tia có thể trì hoãn nguyên tử chuyển động, làm chúng nguội đi.
Đây là điều xảy ra trong một thiết bị tên bẫy quang từ.
Các nguyên tử được đưa vào một môi trường chân không,
và một từ trường sẽ kéo chúng về phía tâm thiết bị.
Một chùm tia laser nhắm vào chính giữa từ trường này
được điều chỉnh đến tần số thích hợp
để khi nguyên tử tiến gần đến sẽ hấp thụ một photon trong chùm laser và chậm lại.
Hiệu ứng chậm lại đến từ sự chuyển giao động lực học
giữa nguyên tử và photon.
Tổng cộng sáu chùm tia, trong vị trí vuông góc,
đảm bảo những nguyên tử đi từ nhiều hướng sẽ bị chặn lại.
Giữa trung tâm, nơi những chùm tia giao nhau,
các nguyên tử chuyển động chậm, như đang kẹt trong một chất lỏng đặc,
một hiệu ứng các nhà phát minh ra nó gọi là "mật đường thị giác."
Một bẫy quang từ như thế này
có thể "làm nguội" các nguyên tử xuống chỉ một vài microkelvin,
khoảng -273 độ C.
Kĩ thuật này được phát triển vào những năm 1980,
và những nhà khoa học cống hiến cho nó
đều đoạt giải Nobel Vật lý vào năm 1997 cho phát hiện này.
Từ đó, laser làm nguội đã được phát triển để tiến đến những nhiệt độ thấp hơn.
Nhưng tại sao bạn lại muốn làm nguội nguyên tử nhiều đến vậy?
Thứ nhất, những nguyên tử lạnh có thể là những "bộ dò" rất tốt.
Do có cực ít năng lượng,
chúng cực nhạy với những dao động trong môi trường.
Nên chúng được dùng trong những thiết bị tìm dầu và khoáng dưới lòng đất,
và chúng cũng là "đồng hồ nguyên tử" cực chính xác,
như những cái được dùng trong những vệ tinh định vị toàn cầu.
Thứ hai, những nguyên tử lạnh có tiềm năng cực lớn
trong việc "mò mẫm" giới hạn của vật lý học.
Độ cực nhạy khiến chúng trở thành những ứng cử viên
dò từ trường trong những máy dò trong vũ trụ tương lai.
Chúng cũng giúp ích cho việc nghiên cứu những hiện tượng nguyên tử,
vốn cần đo đạc những dao động cực nhỏ trong nguyên tử.
Những dao động đó bị lấp ở nhiệt độ thường,
khi các nguyên tử chạy quanh với tốc độ hàng trăm mét một giây.
Laser làm lạnh có thể làm chậm nguyên tử tới chỉ vài centimet một giây,
đủ để dao động tạo ra bởi lượng tử nguyên tử trở nên rõ rệt.
Những nguyên tử siêu lạnh đã cho phép các nhà khoa học nghiên cứu
các hiện tượng như sự đông đặc Bose-Einstein,
khi nguyên tử được làm lạnh tới gần độ không tuyệt đối
và trở thành một hình thái chất hiếm hoàn toàn mới.
Thế nên, bước tiếp con đường tìm hiểu quy luật vật lý
và mở ra những bí mật của vũ trụ,
các nhà khoa học sẽ cần đến
sự giúp đỡ của những nguyên tử lạnh nhất.