Tia laser có thể làm nước đóng băng

Biết đâu đấy khi mà trong tương lai, con người có thể "hạ nhiệt" cơ thể bằng cách chiếu tia laser lên chính mình.

Công dụng mới của tia laser

Kể từ khi xuất hiện lần đầu vào vào năm 1967, tia laser đã được biết đến có công dụng sinh nhiêt để cắt các vật liệu kim loại hoặc làm vũ khí. Mặc dù vậy, các nhà khoa học thuộc trường đại học Washington (Hoa Kỳ) đã phát hiện ra tia laser ngoài việc có thể làm nóng chảy các vật khác thì nó còn có thể làm nước đóng băng.

Thật vậy, đội ngũ nghiên cứu đã thành công trong việc sử dụng bức xạ laser hồng ngoại để kéo nhiệt độ của nước dưới mức 36 độ F (tương đương khoảng 2 độ C). Lý giải cho sự lựa chọn này, phó giáo sư Peter Pauzauskie - người giám sát nghiên cứu này - cho biết nếu sử dụng các loại laser nằm trong vùng quang phổ có thể nhìn thấy được sẽ gây ra quá trình đốt cháy bề mặt ở cấp tế bào, một trong những lý do cho việc laser có thể tỏa nhiệt.

Đội ngũ nghiên cứu (từ trái qua) bao gồm: Peter Pauzauskie, Xuezhe Zhou, Bennett Smith, Matthew Crane.

Peter Pauzauskie cùng các đồng nghiệp đã sử dụng một viên tinh thể nano trong suốt đặc chế sẽ phát ra ánh sáng màu xanh lục nếu nhiệt độ bị hạ xuống - giống như 1 chiếc nhiệt kế màu - đặt trong môi trường nước và theo dõi nó thông qua kính hiển vi điện tử. Sau đó, Peter chiếu 1 chùm tia laser hồng ngoại xuyên qua tinh thể này, kết quả thu được là một chấm sáng nhỏ màu xanh xuất hiện và nhiệt độ của viên tinh thể vào khu vực chất lỏng xung quanh nó giảm xuống còn 2 độ C.

Paden Roder, một thành viên của nhóm nghiên cứu, cho biết việc thực hiện thành công thí nghiệm này sẽ mở ra một hướng đi mới cho những nghiên cứu trên cấp bậc nguyên tử, tế bào trong thương lai. Ví dụ, con người có thể chiếu tia laser làm lạnh 1 tế bào sống để theo dõi chính xác quá trình trao đổi chất diễn ra như thế nào. Hay đơn giản là phát triển những công nghệ làm mát bằng chùm tia kiểu mới thay vì những công nghệ trước kia.

Lý thuyết về việc làm mát bằng tia laser thực chất đã xuất hiện từ lâu khi nhà vật lý người Đức Theodor Wolfgang Hänsch đã phát hiện ra sau hàng loạt thí nghiệm vào những năm 1990. Hänsch cho rằng bằng cách chiếu các chùm tia laser vào các nguyên tử, một photon trong tia laser có nhiệm vụ chạm vào nguyên tử làm cho nó phát ra các photon có năng lượng trung bình cao hơn so với năng lượng nó hấp thụ từ tia laser. Các photon sau đó qua các kích thích nhiệt được chuyển thành ánh sáng màu và rời khỏi nguyên tử. Các photon rời khỏi nguyên tử sẽ làm nguyên tử mất năng lượng và nguội dần đi.

Chấm sáng màu xanh trên vật kính thể hiện việc tinh thể nano đã bị hạ nhiệt độ.

Điều này cũng có thể được nhìn thấy từ quan điểm của định luật bảo toàn động lượng, khi một nguyên tử là di chuyển tới một chùm tia laser và một photon từ tia laser được hấp thụ bởi các nguyên tử, động lượng của nguyên tử giảm do số lượng xung lượng của photon mà nó hấp thụ. Chính sự chuyển động chậm lại giúp cho các nguyên tử trở nên mát hơn. Năm 1995, phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos tại Hoa Kỳ đã thực hiện thí nghiệm chứng minh lý thuyết này là đúng trong môi trường chân không. Điều này đã góp phần giúp Theodor Wolfgang Hänsch giành giải Nobel Vật lý năm 2005.

Về sau, quá trình làm mát bằng laser được sử dụng chủ yếu cho các thí nghiệm vật lý lượng tử để đạt được nhiệt độ gần nhiệt độ không tuyệt đối (0 độ K hay âm 273,15 độ C; hoặc âm 459,67 độ F). Phương pháp này được thực hiện để quan sát hiệu ứng lượng tử duy nhất chỉ có thể xảy ra ở mức nhiệt này. Về cơ bản, quy trình làm mát bằng laser chỉ được sử dụng ở cấp độ nguyên tử để làm nguội các hạt tới trạng thái ngưng tụ Bose–Einstein để nghiên cứu các hiện tượng lượng tử mức vĩ mô, nhưng quá trình này đang được thực hiện trên những quy mô lớn hơn.

Năm 2007, một nhóm nghiên cứu tại Viện công nghệ Massachuset thành công làm lạnh bằng laser một 1 gram chất rắn đến 0,8 độ K (khoảng âm 272 độ C). Đến năm 2011, một nhóm nghiên cứu từ Viện Công nghệ California và Đại học Vienna đã trở thành những người đầu tiên thực hiện làm mát bằng laser đối với một vật rắn có kích thước 10x1 micromet. Và việc làm mát một viên tinh thể nano và môi trường chất lỏng xung quanh nó vừa qua thực sự là một bước đột phát đáng chú ý, mặc dù vậy chúng ta vẫn còn phải chờ đợi những thí nghiệm trên qua mô lớn hơn. 

• Điêu khắc gỗ, tranh sơn mài bằng tia laser
• Thước đo bằng tia laser