Lần đầu tiên, các nhà vật lý đã tạo ra và quan sát được các soliton sóng vật chất sáng ổn định với tương tác hút, được “giữ” bên trong một cấu trúc lưới ánh sáng do laser tạo ra. Thành tựu này mở ra một phương thức hoàn toàn mới để kiểm soát và dẫn hướng các cụm nguyên tử,  một yêu cầu nền tảng cho nhiều công nghệ lượng tử trong tương lai.

Trong thế giới lượng tử, các nguyên tử thường chuyển động như những làn sóng có xu hướng lan rộng theo thời gian. Ngược lại, soliton là những trạng thái sóng đặc biệt có thể duy trì hình dạng gọn và tập trung tại một vị trí xác định. Trước đây, các soliton sóng vật chất đã từng được tạo ra trong không gian mở, nhưng đây là lần đầu tiên chúng được ổn định bên trong một cấu trúc laser tuần hoàn, đồng thời dựa trên tương tác hút giữa các nguyên tử.

Theo các nhà nghiên cứu, khả năng giữ và kiểm soát những “gói” nguyên tử như vậy là bước tiến quan trọng, giúp hiện thực hóa các hệ thống lượng tử có độ ổn định cao hơn, phục vụ đo lường chính xác và xử lý thông tin lượng tử.

Dùng laser và từ trường để tạo soliton

Để tạo ra các soliton này, nhóm nghiên cứu sử dụng một đám mây nguyên tử cesium được làm lạnh xuống gần độ không tuyệt đối, hình thành một ngưng tụ Bose - Einstein là trạng thái vật chất trong đó các nguyên tử hành xử như một sóng lượng tử duy nhất.

Các nguyên tử sau đó được đặt vào một lưới quang học do các chùm laser tạo ra. Cấu trúc lưới ánh sáng này đóng vai trò như một “chiếc khuôn”, giữ các nguyên tử tại những vị trí xác định và lặp lại theo chu kỳ. Tiếp đó, các nhà khoa học sử dụng từ trường để điều chỉnh tương tác giữa các nguyên tử, khiến chúng hút lẫn nhau thay vì đẩy nhau ra.

Quá trình này đòi hỏi sự cân bằng cực kỳ tinh tế. Nếu lực hút quá yếu, soliton sẽ tan rã và các nguyên tử lại lan ra khắp mạng. Ngược lại, nếu lực hút quá mạnh, toàn bộ cụm nguyên tử có thể sụp đổ, mất đi trạng thái ổn định.

Kiểm chứng bằng “mạng accordion”

Để xác nhận rằng các soliton đã thực sự hình thành, nhóm nghiên cứu sử dụng một kỹ thuật gọi là mạng accordion, một mạng laser có thể thay đổi khoảng cách giữa các điểm trong lưới. Bằng cách “kéo giãn” mạng, các nhà khoa học làm tăng khoảng cách giữa các cụm nguyên tử.

Dù không thể quan sát trực tiếp các nguyên tử bằng mắt thường, họ chiếu một chùm laser cộng hưởng xuyên qua mạng và đo mức độ ánh sáng bị hấp thụ. Dựa trên cách các nguyên tử chặn ánh sáng, nhóm nghiên cứu có thể xác định rằng các soliton đã hình thành và bị giữ tại chỗ.

Kết quả cho thấy các nguyên tử tạo thành hai kiểu cấu trúc ổn định. Một số soliton tập trung tại một điểm duy nhất trong mạng, trong khi những soliton khác trải rộng trên nhiều vị trí nhưng vẫn hoạt động như một thể thống nhất. Các cấu trúc này duy trì được trạng thái ổn định trong gần nửa giây - một khoảng thời gian đáng kể trong thang đo lượng tử.

Theo nhóm nghiên cứu, thành tựu này mở ra nhiều hướng đi mới trong việc kiểm soát vật chất lượng tử. Kết quả nghiên cứu mở đường cho việc khám phá nhiều dạng kích thích sóng vật chất phi tuyến trong mạng quang học, chẳng hạn như các dao động “thở” trong mạng và các soliton rời rạc trong những mạng có thế sâu.

Về lâu dài, mức độ kiểm soát đạt được trong nghiên cứu này có thể, cho phép các nhà khoa học thiết kế cảm biến lượng tử ổn định hơn, hoặc vận chuyển thông tin lượng tử một cách an toàn hơn, hạn chế hiện tượng rò rỉ và mất đi các tính chất lượng tử mong manh.

Trong bối cảnh công nghệ lượng tử đang tiến nhanh từ nghiên cứu cơ bản sang ứng dụng, khả năng “giữ chặt” và điều khiển các gói vật chất lượng tử ổn định như soliton được xem là một mảnh ghép quan trọng, góp phần hiện thực hóa những hệ thống lượng tử chính xác và tin cậy hơn trong tương lai.

N.P.A (NASTIS), theo Phys.org