Trung Quốc cho biết lập kỷ lục làm lạnh nguyên tử xuống 9,7 picokelvin trên trạm vũ trụ

Đám mây nguyên tử ở nhiệt độ chỉ nhỉnh hơn độ không tuyệt đối

Các nhà khoa học Trung Quốc đã làm lạnh một đám mây nguyên tử rubidi trên mô-đun phòng thí nghiệm Mengtian của trạm vũ trụ Trung Quốc xuống mức nhiệt độ tương đương 9,7 picokelvin, nhóm nghiên cứu cho biết, đồng thời quan sát đám mây giãn nở trong bảy giây. Kết quả kết hợp mức nhiệt độ thấp khác thường với thời gian quan sát dài, hai điều kiện có thể giúp các nhà khoa học đo lực hấp dẫn và khảo sát hành vi lượng tử chính xác hơn.

Trung tâm Công nghệ và Kỹ thuật Ứng dụng Không gian thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc công bố thành tựu này hôm 6 tháng 11 năm 2026. Nghiên cứu có tiêu đề Khí lượng tử dưới 10 picokelvin trong không gian được đăng trực tuyến trên tạp chí Science. Trung tâm chủ trì dự án cùng Đại học Bắc Kinh và Viện Quang học và Cơ học Tinh vi Thượng Hải.

Nhóm nghiên cứu mô tả kết quả này là kỷ lục về vật chất nhân tạo lạnh nhất. Mức 9,7 picokelvin thấp hơn khoảng bốn lần so với 38 picokelvin mà nhóm Đại học Bremen đạt được năm 2021, và chưa bằng một phần năm mức 52 picokelvin mà Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh của NASA đạt được trên Trạm Vũ trụ Quốc tế năm 2022.

Một picokelvin bằng một phần nghìn tỷ kelvin. Vì vậy, mức mới tương đương 0,0000000000097 kelvin trên độ không tuyệt đối, tức nhiệt độ tương ứng với âm 273,15 độ C. Các nhà khoa học tính nhiệt độ tương đương này từ tốc độ giãn nở cực chậm của các nguyên tử sau khi được thả ra. Nhiệt độ mô tả chuyển động của đám mây nguyên tử nhỏ bé bên trong thiết bị.

Ở độ cao khoảng 400 km phía trên Trái Đất, thí nghiệm tận dụng môi trường vi trọng lực của trạm để làm suy yếu các lực giữ nguyên tử và theo dõi chúng lâu hơn mức một phòng thí nghiệm nhỏ gọn trên mặt đất có thể thực hiện.

Các nhà khoa học nói gì khi làm lạnh nguyên tử

Nguyên tử rubidi thông thường chuyển động theo nhiều hướng với tốc độ khác nhau. Làm lạnh giúp giảm chuyển động ngẫu nhiên trong một nhóm nguyên tử. Ở nhiệt độ cực thấp và mật độ thích hợp, chúng có thể tạo thành ngưng tụ Bose-Einstein, một trạng thái trong đó nhiều nguyên tử cùng chia sẻ một trạng thái lượng tử và hoạt động như một thể thống nhất.

Trạng thái ngưng tụ tạo cho các nhà nghiên cứu một hệ thống lớn hơn, có thể kiểm soát, để khảo sát những hiệu ứng thường gắn với từng hạt riêng lẻ. Thay vì cố theo dõi một nguyên tử giữa chuyển động nhanh, các nhà khoa học có thể tạo ra một đám mây có trật tự, thay đổi môi trường xung quanh và đo phản ứng của nó.

Nhiệt độ tương đương của thí nghiệm được suy ra từ tốc độ đám mây lan rộng sau khi được thả ra. Đám mây có các nguyên tử chuyển động tương đối rất ít sẽ giãn nở cực chậm. Theo dõi quá trình giãn nở giúp các nhà nghiên cứu xác định năng lượng gắn với chuyển động.

Theo các định luật nhiệt động lực học, không thể đạt tới độ không tuyệt đối. Mục tiêu thực tế là giảm chuyển động của nguyên tử đủ mức để làm lộ ra những hiệu ứng yếu và duy trì các điều kiện thí nghiệm hữu ích lâu hơn. Trong thí nghiệm này, thời gian quan sát bảy giây là một phần trọng yếu của thành tựu.

Vì sao bảy giây trong không gian lại quan trọng

Trọng lực Trái Đất tạo ra hai vấn đề liên quan cho các thí nghiệm làm lạnh. Nó kéo các nguyên tử xuống dưới khi các nhà nghiên cứu làm yếu bẫy nguyên tử, đồng thời giới hạn thời gian đám mây được thả ra có thể ở trong buồng quan sát. Bẫy yếu hơn giúp làm lạnh, nhưng cũng kém khả năng nâng đỡ nguyên tử trước trọng lực.

Trạm vũ trụ và các thiết bị bên trong cùng rơi quanh Trái Đất. Điều này tạo ra môi trường vi trọng lực, cho phép các nguyên tử ở gần thiết bị với lực giam giữ yếu hơn nhiều. Khi đó, các nhà khoa học có thể làm lạnh chúng thêm và quan sát quá trình giãn nở lâu hơn.

Wolfgang Ketterle, giáo sư vật lý tại Viện Công nghệ Massachusetts và người nhận giải Nobel Vật lý năm 2001, giải thích quy mô của vấn đề nếu thực hiện thí nghiệm kéo dài bảy giây trên Trái Đất:

Trên Trái Đất, nó sẽ rơi xuống khoảng 250 mét, nên thực tế sẽ đập xuống đất nếu không có buồng chân không cao 250 mét,

Phòng thí nghiệm trên quỹ đạo tạo cơ hội quan sát kéo dài đó trong một thiết bị nhỏ gọn. Các nhà nghiên cứu trên mặt đất vận hành thiết bị từ xa, sử dụng hệ thống điều khiển tự động để thực hiện quy trình làm lạnh được định thời chính xác.

Cách ánh sáng laser tạo thành bẫy nguyên tử

Thiết bị chứa khoảng 5 gram rubidi kim loại làm nguồn cung cấp nguyên tử. Quy trình bắt đầu bằng cách nung kim loại để giải phóng hơi. Sau đó, laser và từ trường bắt giữ, làm lạnh sơ bộ các nguyên tử trong hơi, trước khi nhóm nghiên cứu chuyển chúng vào các bẫy tạo bởi ánh sáng laser.

Các nhà nghiên cứu sử dụng hai giai đoạn bẫy quang học đan chéo. Trong bẫy quang học, các chùm laser được bố trí cẩn thận tạo ra lực giữ nguyên tử trong một vùng nhỏ. Giảm cường độ ánh sáng khiến bẫy nông hơn, cho phép các nguyên tử có năng lượng cao hơn thoát ra. Những nguyên tử còn lại có năng lượng trung bình thấp hơn; quá trình này được gọi là làm lạnh bay hơi.

Giai đoạn cuối sử dụng sự giãn nở phi đoạn nhiệt, tức thay đổi có kiểm soát mức độ giam giữ, cho phép đám mây giãn nở và làm giảm thêm chuyển động gắn với nhiệt độ hiệu dụng. Kết hợp các giai đoạn này, nhóm nghiên cứu đưa đám mây rubidi xuống dưới 10 picokelvin.

Vi trọng lực cũng tạo ra một khó khăn kỹ thuật: quá trình bay hơi trong bẫy quang học trở nên kém hiệu quả hơn. Nhóm nghiên cứu phát triển một phương pháp sử dụng thêm gradient từ, tức từ trường có cường độ thay đổi theo không gian, để hỗ trợ quá trình và tạo ra trạng thái ngưng tụ có độ tinh khiết cao.

Bẫy quang học vẫn là công cụ chủ chốt trong các giai đoạn làm lạnh nâng cao, còn từ trường hỗ trợ một số khâu chuẩn bị. Để phối hợp các vai trò này cần kiểm soát chính xác cường độ laser, thời gian và những tác động nhiễu từ môi trường xung quanh.

Phương pháp khác với thí nghiệm trên Trạm Vũ trụ Quốc tế

Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh của NASA đã sử dụng bẫy từ tạo bằng chip nguyên tử, quá trình bay hơi bằng sóng cao tần và một kỹ thuật làm lạnh cuối cùng có sử dụng xung ngắn. Trong khi đó, nhóm Trung Quốc chọn giam giữ bằng quang học, điều khiển quá trình bay hơi thông qua cường độ ánh sáng và làm lạnh sâu bằng cách giãn nở.

Các nhà nghiên cứu cho biết bẫy quang học có độ linh hoạt hữu ích cho những thí nghiệm tương lai và giảm độ nhạy với nhiễu từ trong quá trình giam giữ. Nhiều chùm laser cũng có thể tạo ra các cấu trúc hữu ích cho mô phỏng lượng tử, trong đó một hệ nguyên tử có thể kiểm soát tái hiện những đặc điểm được chọn của một hệ vật lý khác.

Các kỷ lục trước đó cung cấp hai mốc so sánh. Kết quả 38 picokelvin của Bremen năm 2021 sử dụng tháp thả để tạo ra một khoảng thời gian ngắn vi trọng lực. Thí nghiệm trên Trạm Vũ trụ Quốc tế đạt 52 picokelvin năm 2022. Mức 9,7 picokelvin được Trung Quốc báo cáo thấp hơn khoảng 3,9 lần so với kết quả của Bremen và khoảng 5,4 lần so với kết quả trên quỹ đạo trước đó.

Thí nghiệm mới kết hợp kết quả về nhiệt độ với bảy giây quan sát sự giãn nở. Với các nhà nghiên cứu chuẩn bị những thí nghiệm đo chính xác, một đám mây duy trì trạng thái chuyển động chậm và có thể quan sát lâu hơn có thể hữu ích hơn một kỷ lục nhiệt độ đơn thuần.

Từ phòng thí nghiệm trên mặt đất đến tủ thiết bị trên quỹ đạo

Thiết bị trên mặt đất chiếm khoảng 20 mét khối và nặng xấp xỉ 10 tấn. Các mô tả kỹ thuật cho biết tủ thiết bị tích hợp trên quỹ đạo có thể tích khoảng 0,7 mét khối và nặng 500 kg. Thông báo của trung tâm cũng nêu thông số dưới một mét khối, khoảng 300 kg và công suất chừng 700 watt; sự chênh lệch giữa các mức khối lượng được công bố chưa được giải thích.

Dựa trên các số liệu kỹ thuật chi tiết, hệ thống trên quỹ đạo chiếm khoảng một phần 29 thể tích và có khối lượng bằng một phần 20 so với hệ thống mặt đất. Để đạt được mức thu nhỏ này, laser, quang học chính xác, thiết bị chân không và hệ thống điều khiển điện tử phải phối hợp hoạt động trong một không gian rất hạn chế.

Các nhà phát triển sử dụng kết nối cáp quang cho hệ thống laser, cơ chế điều khiển laser chính xác, môi trường siêu chân không, thiết bị điện tử tự động và hệ thống cách ly rung động. Chân không làm giảm va chạm với các hạt khí không mong muốn, còn hệ thống cách ly hạn chế nhiễu cơ học có thể làm gián đoạn đám mây mỏng manh.

Tủ thiết bị cũng có thiết kế mô-đun. Các nhà nghiên cứu có thể chọn mô-đun thí nghiệm và trình tự định thời cho những nghiên cứu khác nhau, nhờ đó cùng một nền tảng có thể phục vụ nhiều dạng nghiên cứu lượng tử thay vì chỉ một thí nghiệm trình diễn làm lạnh.

Bước đột phá then chốt trước khi phóng

Dự án bắt đầu được đánh giá sơ bộ năm 2011, từ lâu trước khi thiết bị lên quỹ đạo. Một khó khăn nghiêm trọng xuất hiện vào gần cuối năm 2021, khi nhóm nghiên cứu liên tục thất bại trong việc tạo ra trạng thái ngưng tụ Bose-Einstein cần thiết cho các giai đoạn làm lạnh tiếp theo.

Nhóm phát triển được thêm 10 ngày để khắc phục vấn đề trước khi có quyết định đưa thiết bị vào chuyến bay dự kiến hay không. Họ thử nghiệm và điều chỉnh phần cứng lẫn phần mềm trên toàn hệ thống. Trạng thái ngưng tụ cuối cùng xuất hiện vào rạng sáng ngày 8 tháng 1 năm 2022, giúp hoàn thành một bước quan trọng hướng tới phóng thiết bị.

Các mốc chính kéo dài hơn một thập niên:

• 2011: Bắt đầu đánh giá sơ bộ thí nghiệm nguyên tử siêu lạnh trên trạm vũ trụ.
• Cuối năm 2021: Khó khăn trong việc tạo trạng thái ngưng tụ đe dọa kế hoạch đưa thiết bị lên chuyến bay.
• Ngày 8 tháng 1 năm 2022: Sau nỗ lực xử lý sự cố khẩn trương, nhóm nghiên cứu tạo được trạng thái ngưng tụ cần thiết.
• 2022: Thiết bị được đưa lên trạm vũ trụ trên mô-đun phòng thí nghiệm Mengtian.
• Ngày 6 tháng 11 năm 2026: Kết quả 9,7 picokelvin được công bố và nghiên cứu đăng trực tuyến trên tạp chí Science.

Giáo sư Zhou Xiaoji của Đại học Bắc Kinh và nhà nghiên cứu Chen Weibiao của Viện Quang học và Cơ học Tinh vi Thượng Hải là hai trong số các tác giả liên hệ của nghiên cứu. Những người được xác định là đồng tác giả thứ nhất gồm Li Tang thuộc viện ở Thượng Hải cùng Xiong Wei và Jin Shengjie của Đại học Bắc Kinh.

Các phép đo dài hơn có thể phát hiện những hiệu ứng yếu hơn

Giao thoa kế nguyên tử là một trong những thiết bị có thể hưởng lợi từ nền tảng mới. Chúng tận dụng tính chất sóng của nguyên tử, tách rồi kết hợp lại các sóng nguyên tử để tạo ra hình ảnh giao thoa cho thấy những hiệu ứng như gia tốc hoặc lực hấp dẫn.

Ernst M. Rasel, giáo sư vật lý tại Đại học Leibniz Hannover ở Đức, mô tả các điều kiện mà những thiết bị này cần:

Giao thoa kế nguyên tử được hưởng lợi rất nhiều từ các nguồn cung cấp số lượng lớn nguyên tử trong một tập hợp siêu lạnh và thời gian quan sát dài,

Rasel giải thích rằng độ nhạy của giao thoa kế tăng theo bình phương thời gian các nguyên tử ở trong thiết bị. Nếu các điều kiện khác không đổi, tăng gấp đôi thời gian có thể làm phản ứng với hiệu ứng được đo tăng gấp bốn lần. Vì thế, thời gian quan sát kéo dài đặc biệt có giá trị khi tín hiệu rất nhỏ.

Bước tiếp theo ông đề cập là một giao thoa kế trên quỹ đạo, trong đó các sóng nguyên tử duy trì trạng thái tách biệt kết hợp trong vài giây. Tính kết hợp ở đây là khả năng bảo toàn mối liên hệ giữa các sóng để chúng tạo ra phép đo hữu ích khi được kết hợp lại. Bảy giây quan sát đám mây là điểm khởi đầu để phát triển năng lực này.

Các nhà nghiên cứu hình dung những ứng dụng như lập bản đồ lực hấp dẫn của Trái Đất, định vị và xác định quỹ đạo vệ tinh. Phép đo trọng lực tốt hơn cũng có thể giúp theo dõi biến đổi ở sông băng và dòng hải lưu, bởi sự dịch chuyển của nước và băng làm thay đổi sự phân bố khối lượng Trái Đất.

Nền tảng cho các thí nghiệm lượng tử

Hệ thống quang học có thể hỗ trợ mạng quang học, tức các mẫu ánh sáng laser giữ nguyên tử theo những cách sắp xếp giống tinh thể. Bằng cách thay đổi cách sắp xếp và tương tác, các nhà nghiên cứu có thể khảo sát hành vi của tập hợp hạt trong những điều kiện được kiểm soát.

Chen Weibiao xác định các chuyển pha lượng tử, hành vi của nhiều hạt lượng tử tương tác và việc kiểm nghiệm các lý thuyết vật lý cơ bản là những hướng nghiên cứu khả thi. Dự án cũng liệt kê các mô phỏng liên quan đến vũ trụ sơ khai, các cuộc tìm kiếm vật chất tối siêu nhẹ và nghiên cứu liên quan đến các mô hình Higgs trong số những hướng dự kiến.

Đây là những thí nghiệm trong tương lai, cần thiết kế và phép đo riêng. Thành tựu trước mắt là tạo ra nguồn nguyên tử chuyển động cực chậm và kéo dài thời gian nghiên cứu chúng. Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy khả năng ứng dụng trong cảm biến lượng tử và đồng hồ nguyên tử trong không gian.

Lü Congmin, nhà thiết kế trưởng hệ thống ứng dụng không gian của chương trình vũ trụ có người lái Trung Quốc kiêm phó giám đốc trung tâm ứng dụng không gian, mời các nhà nghiên cứu trên toàn thế giới tiến hành thí nghiệm bằng thiết bị và chia sẻ cơ hội nghiên cứu. Chưa có lịch tiếp nhận đề xuất hoặc ngày tiến hành các thí nghiệm tiếp theo được công bố.

Ketterle mô tả thành tựu này là "điểm khởi đầu xuất sắc để thúc đẩy nhiệt kế nguyên tử và các phép đo chính xác". Nhiệt kế nguyên tử, tức phép đo nhiệt độ trong các hệ nguyên tử, cũng sẽ tiếp tục đóng vai trò then chốt trong việc tìm hiểu và cải thiện những thí nghiệm như vậy.

Những điểm chính

• Nhóm nghiên cứu trên trạm vũ trụ Trung Quốc cho biết đã làm lạnh đám mây nguyên tử rubidi xuống mức nhiệt độ tương đương 9,7 picokelvin và quan sát đám mây giãn nở trong bảy giây.
• Thí nghiệm diễn ra trên mô-đun phòng thí nghiệm Mengtian, sử dụng thiết bị được phóng lên quỹ đạo năm 2022.
• Mức nhiệt độ được báo cáo thấp hơn mức 38 picokelvin đạt được ở Bremen năm 2021 và 52 picokelvin đạt được trên Trạm Vũ trụ Quốc tế năm 2022.
• Quy trình làm lạnh kết hợp bẫy quang học, làm lạnh bay hơi có hỗ trợ của gradient từ và sự giãn nở phi đoạn nhiệt.
• Nghiên cứu tương lai có thể bao gồm mô phỏng lượng tử, giao thoa kế nguyên tử, đo lực hấp dẫn và kiểm nghiệm vật lý cơ bản.