Trạm vũ trụ Trung Quốc làm lạnh nguyên tử xuống 9,7 picokelvin, mức lạnh kỷ lục

Một đám mây nguyên tử rubidi trên trạm vũ trụ Thiên Cung của Trung Quốc đã được làm lạnh xuống dưới mười phần nghìn tỷ độ so với độ không tuyệt đối, nhiệt độ thấp nhất từng được ghi nhận đối với một đám khí nguyên tử. Con số này thấp hơn khoảng bốn lần so với kết quả tốt nhất từng đạt được trước đây, dù trên Trái Đất hay trên quỹ đạo.

Kỷ lục này quan trọng không phải vì con số mà vì những gì nó mang lại. Ở mức lạnh đó, các nguyên tử tách rời nhau chậm đến mức nhóm nghiên cứu có thể quan sát đám mây trong bảy giây sau khi thả nó ra, một khoảng thời gian đủ dài để kiểm tra lực hấp dẫn, hành vi lượng tử và có thể cả vật chất tối với độ chính xác mà không phòng thí nghiệm nào trên mặt đất có thể đạt được.

Các nguyên tử đã hình thành một ngưng tụ Bose-Einstein, một trạng thái vật chất trong đó hàng nghìn nguyên tử mất đi tính cá thể và hoạt động như một sóng lượng tử duy nhất. Các nhà nghiên cứu từ Đại học Bắc Kinh, Viện Quang học và Cơ khí Chính xác Thượng Hải và Trung tâm Công nghệ và Kỹ thuật Sử dụng Không gian thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc đã thực hiện thí nghiệm trong giá đỡ vật lý nguyên tử lạnh của mô-đun phòng thí nghiệm Mộng Thiên trên trạm, và công bố kết quả trên tạp chí Science.

Đám mây chứa 20.000 nguyên tử rubidi-87. Nhiệt độ tương đương của nó là 9,7 picokelvin, với độ bất định dao động từ 7,0 đến 12,9 picokelvin. Con số thấp nhất trước đây cho một hệ thống như vậy là 38 picokelvin, và Phòng thí nghiệm Nguyên tử Lạnh của NASA trên Trạm Vũ trụ Quốc tế đã đạt 52 picokelvin.

Làm thế nào một phòng thí nghiệm nặng mười tấn được nhồi vào một giá đỡ trên trạm

Làm lạnh nguyên tử có nghĩa là làm chậm chúng lại. Nhóm nghiên cứu đã bẫy rubidi bằng các chùm tia laser chéo nhau, một bố trí gọi là bẫy lưỡng cực quang học, sau đó giảm dần công suất laser để các nguyên tử có năng lượng cao nhất có thể thoát ra. Đây là phương pháp làm lạnh bay hơi, cùng nguyên lý làm nguội một tách cà phê khi các phân tử nóng nhất bay hơi.

Trong môi trường vi trọng lực, thủ thuật đó hoạt động kém hiệu quả hơn, vì các nguyên tử không còn lắng xuống đáy bẫy nơi có đường thoát. Các nhà nghiên cứu đã thêm một gradient từ trường yếu để điều hướng sự bay hơi và thu được ngưng tụ. Giai đoạn cuối cùng, một sự giãn nở đột ngột phi đoạn nhiệt của bẫy, sau đó làm chậm các nguyên tử hơn nữa.

Mọi kỷ lục khác thuộc loại này đều sử dụng bẫy từ trường được chế tạo trên các chip nguyên tử. Laser khó vận hành hơn trên quỹ đạo, nhưng chúng ít nhạy cảm với nhiễu từ trường, để lại nhiều không gian hơn cho việc tiếp cận quang học và có thể giữ các nguyên tử bỏ qua hoàn toàn từ trường. “Thách thức kỹ thuật là phải tập trung nhiều công nghệ tiên tiến trong các yêu cầu hàng không vũ trụ nghiêm ngặt,” Li Tang, một nhà nghiên cứu tại viện Thượng Hải, cho biết theo Tân Hoa Xã.

Phiên bản mặt đất của thí nghiệm chiếm khoảng 20 mét khối và nặng khoảng 10 tấn. Giá đỡ trên trạm chiếm 0,7 mét khối và nặng nửa tấn, với hệ thống chân không siêu cao, laser sợi quang công suất cao và quang học ổn định tần số hoạt động tự động, trong giới hạn công suất khắt khe.

Lạnh hơn hàng trăm tỷ lần so với không gian sâu thẳm

Độ không tuyệt đối, âm 273,15 độ C, là điểm mà chuyển động của nguyên tử sẽ dừng lại hoàn toàn. Không gian trống rỗng không lạnh đến thế: ánh sáng mờ còn sót lại từ Vụ Nổ Lớn giữ nó ở khoảng 2,7 độ trên độ không tuyệt đối. Đo trên thang kelvin, đám mây Thiên Cung lạnh hơn khoảng 280 tỷ lần so với mức đó.

Kỷ lục trước đó, 38 picokelvin, đến từ một nhóm nghiên cứu Đức đã thả một thí nghiệm chip nguyên tử xuống tháp rơi Bremen để có được vài giây không trọng lượng. Các tháp rơi có giới hạn về chiều cao. Một trạm quỹ đạo ở trạng thái rơi tự do vĩnh viễn, vì vậy thí nghiệm có thể tiếp tục miễn là các nguyên tử còn duy trì tính kết hợp.

Thời gian quan sát là nơi khoảng cách mở rộng nhất. Các thí nghiệm trên mặt đất có thể theo dõi một đám mây được thả ra trong khoảng 0,05 giây trước khi nó rơi khỏi tầm nhìn, Trạm Vũ trụ Quốc tế quản lý được khoảng một giây, và trạm Trung Quốc hiện đạt bảy giây, theo nhóm nghiên cứu. “Trên Trái Đất, nó sẽ rơi xuống khoảng 250 mét, vì vậy nó thực sự sẽ đâm xuống đất trừ khi bạn có một buồng chân không cao 250 mét,” Wolfgang Ketterle, nhà vật lý tại MIT, người đã chia sẻ giải Nobel cho việc tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein, nói với CGTN của Trung Quốc.

Nhiệt độ tương đương có nghĩa là gì và không có nghĩa là gì

9,7 picokelvin không phải là một chỉ số nhiệt kế. Các nhà nghiên cứu suy ra nó từ tốc độ đám mây giãn nở sau khi thả, chuyển đổi tốc độ giãn nở đó thành nhiệt độ mà một chất khí cần có để di chuyển chậm như vậy. Con số này mô tả riêng các nguyên tử: các nhà nghiên cứu chỉ ra rằng thiết bị và môi trường xung quanh nó chưa bao giờ đạt đến nhiệt độ đó.

Thanh sai số rộng, khoảng 30 phần trăm mỗi bên, và kết quả đến từ một cơ sở duy nhất và chưa được tái tạo độc lập. Các so sánh với các kỷ lục cũ hơn cũng pha trộn các phương pháp: tháp rơi, chip từ trường và bẫy laser hiện nay đạt được các con số của chúng thông qua các phương pháp bẫy và làm lạnh cuối cùng khác nhau, vì vậy khoảng cách chỉ là một hướng dẫn, không phải là một thứ hạng chính xác.

Đám mây cũng nhỏ. Hai mươi nghìn nguyên tử là đủ cho một ngưng tụ sạch, nhưng các thiết bị chính xác thu được độ nhạy từ các mẫu lớn hơn. Liệu hệ thống có thể cung cấp cả nhiều nguyên tử hơn và thời gian kết hợp dài một cách thường xuyên hay không là câu hỏi kỹ thuật đang bỏ ngỏ.

Tại sao bảy giây lại quan trọng hơn kỷ lục

Một giao thoa kế nguyên tử tách sóng lượng tử của mỗi nguyên tử thành hai đường dẫn và kết hợp chúng lại, biến những khác biệt nhỏ về gia tốc thành một tín hiệu có thể đo lường được. Độ nhạy của nó tăng lên theo bình phương thời gian các nguyên tử ở bên trong nó. “Các giao thoa kế nguyên tử được hưởng lợi rất nhiều từ các nguồn cung cấp một số lượng lớn nguyên tử trong một tập hợp siêu lạnh và thời gian quan sát dài,” Ernst Rasel, một nhà vật lý tại Đại học Leibniz Hannover, cho biết trong các bình luận do CGTN đăng tải.

Các thiết bị như vậy có thể lập bản đồ trường hấp dẫn của Trái Đất từ quỹ đạo và kiểm tra xem các vật thể có thành phần khác nhau có thực sự rơi với cùng tốc độ hay không, một nền tảng của thuyết tương đối Einstein. Bẫy laser cũng có thể được tạo hình thành các mạng tinh thể quang học, các lưới ánh sáng giữ các nguyên tử như một tinh thể và cho phép các nhà vật lý mô phỏng các vật liệu khó nghiên cứu trực tiếp. “Chúng ta càng quan sát lâu, chúng ta càng có nhiều khả năng tìm thấy các hiện tượng vật lý mới và mờ nhạt hơn,” Xiong Wei của Đại học Bắc Kinh, đồng tác giả đầu tiên của bài báo, cho biết theo Tân Hoa Xã.

Các câu hỏi thường gặp về nhiệt độ thấp nhất từng được ghi nhận

Nhiệt độ thấp nhất từng được ghi nhận là bao nhiêu?

Đối với một đám khí nguyên tử, nhiệt độ tương đương thấp nhất được báo cáo cho đến nay là 9,7 picokelvin, đạt được trên trạm vũ trụ Thiên Cung của Trung Quốc. Đó là 9,7 phần nghìn tỷ độ trên độ không tuyệt đối. Kỷ lục trước đó là 38 picokelvin.

Ngưng tụ Bose-Einstein là gì?

Đó là một trạng thái vật chất hình thành khi một chất khí gồm các nguyên tử nhất định được làm lạnh gần đến độ không tuyệt đối. Các nguyên tử rơi vào cùng một trạng thái lượng tử và hoạt động như một sóng duy nhất, làm cho các hiệu ứng lượng tử có thể nhìn thấy ở quy mô đủ lớn để chụp ảnh.

Tại sao các thí nghiệm nguyên tử lạnh hoạt động tốt hơn trong không gian?

Trên Trái Đất, trọng lực kéo các nguyên tử ra khỏi các bẫy yếu và làm cho một đám mây được thả ra rơi trong vòng chưa đầy một giây. Trên quỹ đạo, các nguyên tử lơ lửng, vì vậy bẫy có thể được làm nhẹ nhàng hơn, giúp làm lạnh chúng sâu hơn, và đám mây có thể được quan sát trong vài giây.

Liệu có thể đạt được độ không tuyệt đối không?

Không. Các định luật nhiệt động lực học ngăn cản việc đạt đến chính xác không kelvin, vì vậy các thí nghiệm chỉ có thể tiến gần hơn bao giờ hết. Mỗi bước tiến xuống dưới trở nên khó khăn hơn, đó là lý do tại sao việc đi từ 38 xuống dưới 10 picokelvin được coi là một bước nhảy lớn.

Một phòng thí nghiệm trên quỹ đạo mở cửa cho các nhóm bên ngoài

Giá đỡ nguyên tử lạnh đã được đưa lên cùng với mô-đun Mộng Thiên vào năm 2022, sau một dự án mà các nghiên cứu khả thi đầu tiên bắt đầu từ năm 2011, và kỷ lục đã được công bố trực tuyến trên tạp chí Science vào ngày 5 tháng 11 năm 2026. Rasel coi bước tiếp theo là các giao thoa kế trên quỹ đạo giữ cho các nguyên tử tách rời một cách kết hợp trong vài giây. Lyu Congmin, tổng thiết kế của hệ thống ứng dụng không gian của chương trình vũ trụ có người lái Trung Quốc, cho biết giá đỡ này mở cửa cho các nhà khoa học từ khắp nơi trên thế giới muốn chạy các thí nghiệm của riêng họ trên đó.

Tài liệu tham khảo: Xiong et al., “Quantum gases below 10 picokelvin in space,” Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aea5324

Thẻ: vật lý, vật lý lượng tử, Mengtian, ngưng tụ Bose-Einstein, Thiên Cung, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc