In ấn 3D Hỗ Trợ Thử Nghiệm Lạnh Cực Vô Cực Thu Nhỏ

Để tìm kiếm một số trong những vật thể lạnh nhất trong vũ trụ, bạn không cần đi xa hơn trường đại học địa phương của bạn. Ở đó, một nhà vật lý có thể sử dụng ánh sáng laser và nam châm để làm lạnh nguyên tử xuống dưới -450 Fahrenheit đáng kinh ngạc. Họ có thể sử dụng những nguyên tử siêu lạnh này để cảm nhận thậm chí là các trường từ yếu nhất trong phòng, hoặc xây dựng một chiếc đồng hồ chính xác đến từng phần nghìn tỷ của một giây. Nhưng họ có thể không mang những cảm biến hoặc đồng hồ này ra khỏi phòng lab của họ, vì chúng thường lớn và dễ vỡ.

Bây giờ, một nhóm nhà vật lý tại Đại học Nottingham đã cho thấy rằng việc in 3D các bộ phận cho các thử nghiệm lạnh cực vô cực này cho phép họ thu nhỏ thiết bị của họ chỉ còn một phần ba so với kích thước thông thường. Công việc của họ, được xuất bản trong tạp chí Physical Review X Quantum vào tháng Tám, có thể mở ra cánh cửa cho một cách tiếp cận nhanh hơn và dễ tiếp cận hơn để tạo ra các thiết bị nhỏ hơn, ổn định hơn, được tùy chỉnh hơn cho các thử nghiệm.

Bởi vì chúng tuân theo quy luật cơ học lượng tử, nguyên tử cực lạnh thể hiện các hành vi mới và hữu ích. “Nguyên tử lạnh cực là một công nghệ chủ chốt được sử dụng trong nhiều dụng cụ chính xác khác nhau,” nói John Kitching, một nhà vật lý tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia không liên quan đến nghiên cứu.

“Nguyên tử lạnh cực là cảm biến tuyệt vời về thời gian. Chúng là cảm biến xuất sắc về những gì chúng ta gọi là lực không động, như gia tốc và xoay. Chúng là cảm biến xuất sắc về các trường từ. Và chúng là cảm biến xuất sắc của không gian trống,” thêm đồng nghiệp của ông, Stephen Eckel, cũng không liên quan đến công việc này.

Do đó, các nhà vật lý đã lâu đã tìm cách sử dụng các thiết bị nguyên tử lạnh cực trong các bối cảnh từ khám phá không gian, nơi chúng có thể hỗ trợ điều hướng bằng cách cảm nhận sự thay đổi về gia tốc của phương tiện, đến ngành thủy văn, nơi chúng có thể xác định nước ngầm bằng cách phát hiện sức hút từ trường của nó trên mặt đất. Tuy nhiên, quá trình làm lạnh nguyên tử đủ lạnh để thực hiện bất kỳ nhiệm vụ nào trong số này thường phức tạp và vất vả. “Sau thời gian dài làm thực nghiệm với nguyên tử lạnh, tôi luôn cảm thấy rất chán nản khi chúng ta dành hết thời gian của mình để sửa các vấn đề kỹ thuật,” nói Nathan Cooper, một nhà vật lý tại Đại học Nottingham và một trong những tác giả cộng tác trong nghiên cứu.

Chìa khóa để làm lạnh và kiểm soát nguyên tử là đánh chúng bằng ánh sáng laser được điều chỉnh tinh tế. Nguyên tử ấm di chuyển với tốc độ hàng trăm dặm mỗi giờ, trong khi nguyên tử cực lạnh gần như đứng yên. Các nhà vật lý đảm bảo rằng mỗi khi một nguyên tử ấm bị đánh bắn bởi tia laser, ánh sáng va vào nó một cách sao cho nguyên tử mất một số năng lượng, chậm lại và trở nên lạnh hơn. Thông thường, họ làm việc trên một bàn có kích thước 5x8 feet được phủ bởi một mê cung của gương và kính — các thành phần quang học — hướng dẫn và điều khiển ánh sáng khi nó di chuyển đến hàng triệu nguyên tử, thường là rubidium hoặc natri, được giữ trong một buồng chân không siêu cao đặc biệt. Để kiểm soát vị trí của tất cả các nguyên tử cực lạnh trong buồng này, các nhà vật lý sử dụng nam châm; trường từ của chúng hoạt động như hàng rào.

So với các máy gia tốc hạt dài hàng dặm hoặc kính viễn vọng lớn, những thiết bị thử nghiệm này nhỏ. Tuy nhiên, chúng quá lớn và dễ vỡ để trở thành các thiết bị thương mại hóa để sử dụng bên ngoài các phòng lab học thuật. Các nhà vật lý thường mất tháng ngày để căn chỉnh từng yếu tố nhỏ trong mê cung quang học của họ. Ngay cả một chút rung lắc đến các gương và kính — điều có thể xảy ra trong lĩnh vực — sẽ đồng nghĩa với việc làm chậm công việc đáng kể. “Điều chúng tôi muốn thử và làm là xây dựng một cái gì đó có thể sản xuất nhanh chóng và hy vọng sẽ hoạt động đáng tin cậy,” Cooper nói. Vì vậy, ông và các cộng sự đã chuyển sang in 3D.

Thí nghiệm của đội ngũ Nottingham không chiếm toàn bộ một bàn — nó có thể tích là 0.15 mét khối, lớn hơn một chút so với một ngăn chứa 10 hộp pizza lớn. “Nó rất nhỏ. Chúng tôi đã giảm kích thước khoảng 70% so với cách thiết lập thông thường,” Somaya Madkhaly, một sinh viên cao học tại Nottingham và là tác giả chính của nghiên cứu, nói. Để xây dựng nó, cô và đồng nghiệp của mình tham gia vào một trò chơi tương tự Lego có thể tùy chỉnh rất nhiều. Thay vì mua các bộ phận, họ lắp ráp thiết bị của mình từ các khối được in 3D có hình dáng chính xác như mong muốn.

Thay vì gia công buồng chân không từ các kim loại chắc chắn nhưng nặng, nhóm đã in nó từ một hợp kim nhôm nhẹ hơn. Thay vì xây dựng một mê cung phức tạp của kính và gương, họ đã ghép chúng vào một khung được in từ polymer. Miếng hình chữ nhật này, chỉ dài 5 inch, rộng 4 inch và rất vững chãi, thay thế cho mê cung quang học tinh tế mà thông thường dài hàng feet.

Quan trọng hơn, thiết bị thu nhỏ đã hoạt động. Nhóm nạp 200 triệu nguyên tử rubidium vào buồng chân không và đưa ánh sáng laser qua tất cả các bộ phận quang học, làm cho ánh sáng va chạm với nguyên tử. Các nguyên tử tạo thành một mẫu lạnh hơn –450 độ Fahrenheit — chính xác như các nhà khoa học đã làm với loại thiết bị thông thường hơn trong 30 năm qua.

“Tôi nghĩ việc xây dựng một hệ thống nguyên tử lạnh như thế này là một bước tiến lớn. Chỉ có các thành phần cá nhân được in 3D trước đây,” Aline Dinkelaker, một nhà vật lý tại Viện Thiên văn học Leibniz Potsdam không liên quan đến nghiên cứu, nói. Nếu các thử nghiệm trước đó giống như việc mua một bộ Lego đặc biệt cho phép bạn xây dựng một chiếc tàu vũ trụ đã được thiết kế sẵn, cách tiếp cận của đội ngũ Nottingham giống như việc thiết kế tàu vũ trụ trước, sau đó in 3D các khối ghép lại.

Một lợi ích lớn của việc sử dụng in 3D là bạn có thể tùy chỉnh thiết kế từng bộ phận, Dinkelaker lưu ý. “Đôi khi bạn chỉ có một bộ phận kỳ lạ hoặc một không gian có hình dạng kỳ quặc. Ở đây, in 3D có thể là một giải pháp tuyệt vời,” cô nói.

Lucia Hackermuller, một tác giả khác trên bài báo, cho biết việc làm từng mảnh theo thông số kỹ thuật riêng của họ cho phép họ tối ưu hóa. “Chúng tôi muốn có thiết kế tốt nhất có thể, và vấn đề là thường thì chúng ta có hạn chế trong việc xây dựng,” cô nói. “Nhưng nếu bạn sử dụng phương pháp in 3D, bạn có thể in bất cứ thứ gì mà bạn có thể nghĩ ra.” Là một phần của quá trình tối ưu hóa này, nhóm đã sử dụng một thuật toán máy tính mà họ phát triển để tìm vị trí tốt nhất cho nam châm của họ. Họ cũng đã làm việc qua khoảng 10 phiên bản của các thành phần in 3D cho đến khi chúng được hoàn thiện hoàn toàn.

Nghiên cứu mới là một bước tiến trong việc làm cho công cụ này cho nghiên cứu vật lý cơ bản trở nên phổ biến và tiếp cận hơn. “Tôi hy vọng điều này sẽ tăng tốc — và một phần cũng làm cho việc thực hiện thí nghiệm với nguyên tử lạnh tiêu chuẩn trở nên rẻ hơn và nhanh hơn nhiều,” Cooper nói. Anh ấy phỏng đoán rằng nếu anh ấy bị mắc kẹt trên một hòn đảo hoang vắng chỉ với một số kính và gương, nguyên tử rubidium và một máy in 3D, anh ấy có thể từ không đến một thiết bị hoàn chỉnh trong khoảng một tháng — nhanh gấp năm hoặc sáu lần so với thông thường. Đối với Madkhaly, việc bắt đầu từ đầu có thể không chỉ là một kịch bản tưởng tượng. Sau khi tốt nghiệp, cô nói rằng cô có thể quay về quê hương ở Saudi Arabia và sử dụng in 3D để khởi đầu nghiên cứu nguyên tử lạnh mới. “Đây là một lĩnh vực rất mới ở đó,” cô thêm.

Kitching cũng tưởng tượng những công cụ này được sử dụng ngoài giới học thuật, ví dụ như các công ty sản xuất cảm biến dựa trên nguyên tử lạnh để nhận diện các trường từ hoặc trọng lực. Những công ty này có thể không thuê nhà khoa học được đào tạo về vật lý lượng tử, nhưng điều đó cũng không quan trọng. Anh ấy tưởng tượng họ thiết lập các dây chuyền lắp ráp mà kỹ thuật viên sẽ lắp ráp các thiết bị từ các thành phần được in 3D. Và nếu những thiết bị đó ổn định đủ để hoạt động mà không cần điều chỉnh liên tục, nhân viên vẫn có thể sử dụng chúng một cách tự tin.

Các thiết bị nguyên tử lạnh thương mại có thể, ví dụ, được sử dụng bởi các kỹ sư dân sự, các công ty dầu khí, nhà khảo cổ học hoặc nhà nghiên cứu núi lửa để tạo ra bản đồ tốt hơn về địa hình dưới lòng đất, dựa trên sự nhạy cảm cực độ của nguyên tử đối với trọng lực. Nguyên tử lạnh cũng có thể chứng minh là thành phần quan trọng cho các công cụ dẫn đường hoạt động ngay cả khi các vệ tinh GPS không thể tiếp cận. Đồng hồ nguyên tử lạnh có thể được sử dụng để đồng bộ hóa các mạng vận tải hoặc viễn thông, hoặc để bảo mật các giao dịch tài chính trong tình huống mà mỗi giao dịch yêu cầu một dấu thời gian rất chính xác.

Hackermueller và đồng nghiệp của cô dự định tiếp tục tối ưu hóa thiết lập hiện tại của họ. “Chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi chưa tận dụng hết tất cả các tính năng in 3D. Điều này có nghĩa là thiết lập của chúng tôi có thể nhỏ hơn nữa,” cô nói — họ nghĩ rằng họ có thể làm cho nó gần như chỉ còn một nửa kích thước hiện tại. Cooper nói: “Chúng tôi sẽ xem xét giới hạn của những gì bạn có thể làm với điều này.”

Thêm nhiều bài viết tuyệt vời từ Mytour

• 📩 Những thông tin mới nhất về công nghệ, khoa học và nhiều hơn nữa: Nhận bản tin của chúng tôi!
• Trông như chiếc bút lông: Mặt tối của Instagram Hedgehog
• Cuộc sống với tương lai tràn ngập robot có phải là ác mộng hay là một thiên đường không?
• Làm thế nào để gửi tin nhắn tự động biến mất
• Deepfake giờ đây đang tạo ra các kế hoạch kinh doanh
• Đã đến lúc mang lại quần cargo trở lại
• 👁️ Khám phá trí tuệ nhân tạo như chưa bao giờ trước với cơ sở dữ liệu mới của chúng tôi
• 🎮 Mytour Games: Nhận thông tin, đánh giá và nhiều hơn nữa
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có các công cụ tốt nhất để trở nên khỏe mạnh? Kiểm tra các sản phẩm mà đội ngũ Gear của chúng tôi đã chọn cho bộ cảm biến sức khỏe tốt nhất, đồng hồ chạy bộ (bao gồm giày và tất) và tai nghe tốt nhất