Trần Văn. Trong chế tạo cơ khí hiện nay nhiều vấn đề hóc búa tập trung vào các công nghệ chế tạo các linh kiện “siêu nhỏ” và “siêu lớn” của một hệ thống thiết bị hoàn chỉnh mà người kĩ sư phải tìm ra giải pháp. Dưới đây Xin giới thiệu một công nghệ xuất phát từ vật lý cơ bản, cụ thể là tính chất sóng và hạt của ánh sáng (theo nghĩa rộng). Nhờ đó có thể chế tạo ra các linh liện máy móc siêu nhỏ chưa từng tồn tại. Theo quan niệm của chúng tôi bài này có thể giúp bạn đoc thư giãn một cách bổ ích mỗi khi ghé thăm trang này!

Mặc dù nội dung của bài này đã được đăng hồi tháng  8/2005 ở tạp chí IEEE Spectrum trong bài viết của tác giả Wil McCarthy với nhan đề “Dường như đây là nhiệm vụ của các siêu nguyên tử –Ai bảo sự bí ẩn của lượng tử không có tính thực tiễn?”, nghĩa là nó không còn là “tin nóng hổi” đối với bạn đọc, song chúng tôi cho rằng, do nội hàm sâu xa và hiện đại của vấn đề, đối với những người làm công nghệ nó vẫn là một tin còn tính thời sự rất cao, báo trước sự ra đời của một công nghệ mà trước đây  một thập kỷ còn là một giấc mơ. Cũng do tác giả bài báo nói trên đã đề cập đến một khối lượng công nghệ phong phú, đa dạng, có tính liên ngành, để chuyển tải có hiệu quả đến bạn đọc chúng tôi xin lược dịch kết hợp với diễn giải và biên tập để có thể làm rõ những điều cơ bản nhất, quan trọng nhất. Mong được chia sẻ.

Trong thế giới bí ẩn rộng lớn của cơ lượng tử laze nguyên tử nằm ở vùng vành đai, ngoại vi. Vậy siêu nguyên tử là gi? Là dạng vật chất đặc biệt, tồn tại trong một điều kiện tới hạn hết sức đặc biệt, thông thường không hiện hữu trong tự nhiên. Thay vì phôtôn nó bắn ra các nguyên tử siêu lạnh, lạnh đến mức chúng không còn “động đậy” hay tương tác như các hạt cơ bản nữa và thay vào đó nó hành xử như sóng. Hành tiến một cách kết hợp, có đỉnh và bụng sóng ở mọi bước, giống như ở ánh sáng laze thông thường, các nguyên tử “gợn sóng” này hình thành một chùm tia kết hợp (tức là có khả năng giao thoa), không giống tia laze, nó chuyển động chậm chạp, chậm nhiều bậc so nới ánh sáng.

Chùm tia có thể phun trào ra ngoài theo một vòng cung giống như nước bắn ra từ súng phun. Khi chùm tia rơi xuống nó được gia tốc bởi trọng trường và bước sóng của nó ngắn đi khủng khiếp đến khi chỉ bằng 1/70 000 bước sóng của ánh sáng thấy được.

Laze nguyên tử lần đầu tiên được Wolfgang Ketterle và các cộng sự chế tạo ra năm 1997 tại Học viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Cambridge. Từ đó những người say mê công nghệ tò mò muốn biết chúng ta có thể làm gì với chuyện không thể tin được này?

Liệu có thể dùng vào việc vi thể hoá các mẫu mạch in nét tới cỡ nguyên tử, hoặc các chi tiết máy siêu nhỏ mà bây giờ ta thường gọi với tính từ nanô? Hoặc nhờ có nó mà người ta đo được gia tốc chính xác đến mức có thể lái mò (steer blind) một tầu ngầm đi từ San Francisco đến Yokohama (Nhật Bản)? Hoặc giả, phát hiện được những biến thiên rất nhỏ của lực hấp dẫn, đến mức có thể chỉ ra những chuyển động măcma nằm sâu trong lòng trái đất? Dù những ứng dụng này chưa thể có được vào sáng ngày mai, nhưng chúng đang đến gần và có thể là một thứ rất vĩ đại [xem minh hoạ: “Một siêu nguyên tử có ích cho cái gì?”].

Nhờ các bước sóng của nó ngắn một cách bất thường một laze nguyên tử có khả năng phân giải các nét đặc trưng nhỏ hơn rất nhiều so với laze thông thường, laze ánh sáng. Để có ý niệm về độ nhỏ của nó tới mức nào, hãy khảo sát một dụng cụ đo hiện được coi là loại tuyệt hảo nhất: giao thoa kế. Để chế tạo dụng cụ này người ta tách một chùm laze (ánh sáng) làm đôi dẫn đi theo hai đường có độ dài khác nhau phản xạ từ các gương và cuối cùng cho nhập vào nhau tại một đêtectơ.

Do có một chùm phải đi một quãng đường dài hơn một chút để tới đêtectơ, giữa hai chùm sóng xảy ra trượt pha. Không phải tất cả các đỉnh sóng đều tăng cường lẫn nhau, trong ánh sáng thấy được một số đỉnh sóng kết hợp với bụng sóng nên khử nhau đi, hình thành một vạch tối, tạo thành vân giao thoa. Và kết quả này cho biết một cách chính xác với độ nhạy hoàn hảo sự lệch pha đó. Nếu giữ cho một gương bất động và gia tốc gương kia làm cho vân nói trên thay đổi; dựa vào sự thay đổi đó ta có thể tính ra được gia tốc cần biết. Hệ thống ta thu được ở trên là một gia tốc kế mà bản chất của nó là giao thoa kế.

Một giao thoa kế laze nguyên tử có thể ghi được các trường hấp dẫn với độ chính xác và độ nhạy cực cao. Đó là bởi các nguyên tử – khác với phôtôn ở các giao thoa kế quang học – cảm nhận được lực đẩy của trường hấp dẫn xuất phát từ những hốc rỗng nhỏ hình thành trong sỏi đá, như ở các trầm tích dầu mỏ.

Để xây dựng một laze nguyên tử, người ta làm lạnh các nguyên tử đơn của một loại vật chất đến gần không độ tuyệt đối và “lùa” chúng lại với nhau. Động tác xử lý đó làm chúng đậm đặc thành một khối tròn cơ lượng tử, trong đó toàn bộ các nguyên tử có cùng mức năng lượng và vị trí. Khối tròn có tên là ngưng tụ Bose-Einstein, bởi chúng được Albert Einstein dự đoán năm 1924 trên cơ sở ngoại suy từ công trình của Satyendra Nat Bose [người ấn Độ, sinh năm 1892] khi nghiên cứu bản chất của phôtôn.

Có nhiều điều phản trực giác nảy sinh ở đây, song cái khác thường nhất vẫn là, làm sao mà bấy nhiêu nguyên tử lại ở cùng một vị trí. Bằng vào Nguyên lý bất định nổi tiếng của Heisenberg, rằng ta có thể biết chính xác hoặc vị trí, hoặc năng lượng của một hạt, nhưng cùng một lúc cả hai thì không. Do chúng ta đã làm lạnh các nguyên tử này đến gần độ không tuyệt đối nên ta biết được chính xác năng lượng của chúng - trên thực tiễn - bằng không. Điều đó có nghĩa, ta không còn biết gì hết một cách chính xác vị trí của chúng. Thay vì ở trong một khối cầu đường kính vài phần trăm nanomét, miền mà trong đó từng nguyên tử một phải hiện hữu này phồng lên làm cho đường kinh tăng lên đến cỡ micromét. Trong không gian đó hàng triệu nguyên tử chồng chất lên nhau, rơi vào cùng một trạng thái cơ lượng tử và trở thành một siêu nguyên tử khổng lồ.

Phải mất đến 70 năm để sáng tạo ra giọt Einstein-Bose bởi do phải làm lạnh nguyên tử xuống dưới vạch một phần trăm triệu độ trên độ không tuyệt đối (tức là < 10^{-6 O}K), nhiệt độ mà tại đó chuyển động tự nhiên của tất cả các hạt đều chấm dứt. Để cảm nhận ta cóa thể nhắc đến các nguyên tử trôi nổi trong không gian giữa các vì sao vẫn còn “nóng” gần 3 ^OK ! Cuối cùng, trong những năm 1980, khi mà các công nghệ làm lạnh đạt được những kết quả đủ tốt, mục đích này xem ra có thể đạt được và sự thể đó đã châm ngòi cho một cuộc chạy đua khoa học kéo dài mãi đến năm 1995. Đó là năm mà Eric Cornell và Carl Wieman tại JILA, một phòng thí nghiệm vật lý ở Boulder, Colorado dưới sự liên kết vận hành của trường Đại học tổng hợp Colorado và Viện Quốc gia Quy phạm và Công nghệ (National Institute Standard and Technology) tạo ra được ngưng tụ Bose-Einstein đầu tiên trên thế giới - có thể là trong vũ trụ! Bốn tháng sau đó Ketterle của MIT “chế” ra mẻ thứ hai. Do những nỗ lực của họ 3 vị này cùng nhận giải Nobel Vật lý năm 2001.

Không phải nguyên tử của tất cả các nguyên tố đều có thể trở thành một siêu nguyên tử. Các nhà nghiên cứu cần chọn ra một số nguyên tố, nó cộng hưởng ở một bước sóng của một laze quang học để có thể làm ra siêu nguyên tử. Một nguyên tố loại này là rubiđi. Theo một phương pháp đã được hoàn thiện tại JILA, các nhà khoa học đặt vài gam rubiđi vào một buồng chân không có gắn 6 đầu phát laze chĩa vào một vùng giao nhau [xem minh hoạ: “Làm thế nào để tạo ra một laze nguyên tử”]. Dưới tác động của các tia laze giao nhau từ mẫu thí nghiệm các nguyên tử rubiđi bốc thành hơi, áp suất ánh sáng của các chùm laze hãm các nguyên tử chậm lại, làm giảm  nhiệt độ hiệu dụng của chúng xuống còn khoảng 1/10 000 độ Kenvin, áp lực của các tia laze giam các nguyên tử vào trong vùng giao nhau của chúng và giữ cho chúng cách xa vách có nhiệt độ phòng của buồng chân không.

Sau đó người ta ngắt tất cả các laze và dùng trường từ để “cầm tù” các nguyên tử này. Trường từ làm các nguyên tử lắc qua lắc lại khiến chúng va đập vào nhau, truyền động lượng cho nhau một cách ngẫu nhiên. Một số nguyên tử nhận được động lượng cao hơn mức trung bình và đạt được vận tốc giải thoát, chúng rời hệ thống, làm cho khối nguyên tử nguội lạnh thêm, giống như hơi nước bay lên làm nguội tách cà phê.

Khi mà các nguyên tử lạnh đi, vận tốc của chúng tiệm cận đến không (0), tính bất định vị trí của chúng càng tăng và có hành vi bớt đi tính chất hạt và tăng tính chất sóng. ở nhiệt độ chừng một phần triệu độ trên không tuyệt đối các búp sóng nhỏ của nguyên tử đủ lớn tới mức có thể trùm lên nhau. Rồi đột ngột vật chất tổ chức lại cấu trúc và thực hiện một quá độ pha. Sự chuyển tiếp này là một cái gì đó có thể so sánh với những điều xảy ra ở nước khi nhiệt độ của nó đạt nhiệt độ đông đặc, sôi hoặc ngưng tụ. Tất cả các nguyên tử trong bẫy từ đều tụt xuống mức lượng tử nhỏ nhất. Và thế là ngưng tụ Bose-Einstein được hình thành.

Khi ngắt bẫy từ đi, các siêu nguyên tử rời khỏi bẫy như một giọt dịch thể (mặc dầu trong khoảnh khắc đó nó còn là một khí). Tuy nhiên, điều quan trọng là giọt này là một sóng. Nó có thể bắn ra thành hạt hay tung toé lên, song nó cũng có thể phản xạ, nhiễu xạ, trượt pha và hội tụ. Siêu nguyên tử nhỏ nhất có đường kính khoảng 1 micromét, gấp 10 ngàn lần đường kính nguyên tử hiđrô, gồm khoảng 100 hoặc 1000 nguyên tử. Cho đến nay siêu nguyên tử lớn nhất có thể đạt kích thước 0,5 mm đường kính, bên trong chứa đến 10 triệu nguyên tử. Nó tồn tại khoảng 10 giây trước khi nhiệt và sự hỗn loạn xung quanh làm tan biến đi. Để duy trì sự xuất hiện ngưng tụ này các nhà khoa học đã tìm cách đẩy được nó ra khỏi buồng chân không vào một bình chứa và như vậy có chỗ để tạo ra mẻ thứ hai rồi thứ ba,…trong buồng “điều chế” (chân không) nói trên. Ngưng tụ này được chuyển qua một “ống” dẫn sóng do laze tạo ra.

Chất liệu này có một loạt các tính chất cơ lượng tử, do vậy mà nó có thể hình thành một chùm tia mà các sóng của nó lan theo bước. Năm 1997 Ketterle và các công sự của ông là những người đầu tiên giới thiệu hiện tượng này bằng cách “chiết xuất” các nguyên tử từ một ngưng tụ Natri. Laze nguyên tử đầu tiên này sánh được với laze ánh sáng, nhưng nó có một đầu ra năng lượng thấp hơn và một dòng hạt thưa thớt hơn – khoảng một phần tỷ của đầu ra phôtôn của một laze quang. Tuy nhiên, các nguyên tử đã có một bước sóng khoảng 0,01 nanomét, trong lúc bước sóng của ánh sáng nhìn thấy dài khoảng 400 đến 700 nanomét.

Về các gia tốc kế siêu nhạy. Còn có những ứng dụng gì nữa của laze nguyên tử trong thực tiễn? Trước hết, nếu quay một gia tốc kế (hoặc chính xác là đưa một chùm tia nguyên tử vào một mạch) ta sẽ có một con quay. Ba con quay như thế này - đặt trực giao nhau - cho ta biết được một máy bay chuyển động như thế nào khi quy chiếu lên các trục trực chuẩn của nó, nói chính xác hơn, nó chuyển động tịnh tiến và quay xung quanh các trục này như thế nào. Và như vậy có thể chỉ ra một tình huống là cái ta đang quan tâm lại là điều mà hệ thống định vị vệ tinh không làm được.

Hệ thống dẫn đường quán tính này là một loại hệ thống hoa tiêu trung tâm có sự trợ giúp của đôi chút tính toán. Ta đo gia tốc và tốc độ quay rồi sau đó làm động tác ngược lại: tích phân gia tốc hai lần để được vị trí và tích phân vận tốc góc một lần để được góc quay của máy bay. Lặp đi lặp lại động tác đó ta có thể vẽ các vectơ nối tiếp nhau xuất phát từ đỉnh một vectơ vị trí ban đầu để được quỹ đạo chuyển động của vật bay nếu được trang bị thiết bị này – hoàn toàn không cần đến công đoạn tham chiếu bất kỳ đối tượng bên ngoài nào như cọc tiêu hay vệ tinh, …

Mọi người đều biết, từ lâu người ta đã đưa vào sử dụng thiết bị định vị con quay laze ánh sáng. Song tiếc rằng loại này còn kém chính xác và rất bất tiện trong xử lý căn chỉnh. Thực vậy, một tầu ngầm lâm trận hoặc trên đường đi làm nhiệm vụ mật mà cứ vài giờ lại phải nổi lên hoặc sử dụng kính tiềm viễn vọng để chỉnh mới toạ độ ban đầu chắc chắn dễ bị tổn thương hơn hoặc đánh mất đi yếu tố bất ngờ. Cụ thể hơn, có vấn đề nảy sinh trong việc sử dụng laze quang học trong các hệ dẫn đường quán tính là nhiễu của tín hiệu. Nhiễu này cũng được tích lũy lại (tích phân theo thời gian) và do hàm dưới dấu tích phân có chứa số mũ nên sai số tỷ lệ nhiễu trên tín hiệu thật đáng sợ. Hiện nay các hệ dẫn đường quán tính tốt nhất cũng chỉ giữ được độ chính xác có thể chấp nhận trong vòng vài giờ; bởi nếu từng thời gian nhất định (khoảng vài giờ) không căn chỉnh lại, chúng có thể “lạnh lùng” thông báo rằng máy bay đang bay xuyên trong lòng đất hay bay nhanh hơn ánh sáng!

Cho nên, nếu ta thay thế laze quang học bằng laze nguyên tử thì, về nguyên tắc, ta có thể duy trì được sự chính xác trong nhiều năm, sau mỗi lần chỉnh lại. Nhờ số mũ nói trên các bước sóng nhỏ bằng một phần bảy mươi ngàn lần (1/70000) bước sóng của laze quang học cho một tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu lớn hơn gấp 100 tỷ lần khiến cho độ chính xác đạt được cực kỳ cao. Đó là lý do tại sao hải quân Mỹ đầu tư cho công trình tại JILA một phương án đủ nhỏ và mạnh dùng cho một tầu ngầm. Trên thực tế có những tầu ngầm lặn cả tháng dưới biển sâu mà không cần nổi lên. Như vậy laze nguyên tử sẽ là công cụ đáp ứng tốt nhất cho các loại tầu này.

Ai cũng biết, yêu cầu tiết kiệm không gian đối với tầu ngầm là hết sức ngặt nghèo. Để có thể đưa laze nguyên tử vào các lĩnh vực như thế này, người ta buộc phải thu gọn kích thước của chúng đến mức tối đa. Quá trình vi thể hoá này của bộ laze nguyên tử – một quá trình hiện tại đang ngự trị khắp nơi, từ một máy tính để bàn đến toàn bộ một phòng thí nghiệm chứa buồng chân không và thiết bị laze đang tiến triển một cách tốt đẹp, một phần vì biết bao công cụ có sẵn đã được phát triển hoàn thiện. Chẳng hạn các kĩ sư luôn biết cách dùng trường điện để điều khiển các chùm tia nguyên tử để phủ lên bề mặt các phiến mỏng. Nhóm Microtrap (vi bẫy) của Jakob Reichel ở Viện Quang hoc Lượng tử (Institute of Quantum Optics) Max Planck tại Garching, CHLB Đức và ở École Normale Supérieure tại Pais, lần đầu tiên thành công trong việc tạo ra rồi dẫn ngưng tụ Bose-Einstein chuyển động trên một chip nhờ sử dụng các bẫy từ vi mô để làm lạnh và xử lý các nguyên tử. Các nhóm khác cũng đang bám theo “chip nguyên tử” này, hiện họ đang thực sự loay hoay trong giai đoạn tạo các thiết bị thí nghiệm. Về kích thước, bản thân các chíp này có thể nằm gọn trong lòng bàn tay, còn thiết bị chân không thì không quá lớn. Nhưng khi thêm vào các laze, hệ thống thiết bị toàn bộ này chiếm một thể tích không gian của vài máy tính để bàn.

Mặc dù các chíp nguyên tử chưa được chế tạo để tung ra thị trường, song người ta vẫn khẳng định rằng sản phẩm này là khả thi. Thậm chí đã có dự báo về việc ứng dụng vào lĩnh vực viễn thông lạc quan đến mức tác giả bài báo đã hình dung ra viễn cảnh con quay laze nguyên tử cuối cùng lắp được vào điện thoại di động, lúc đó đám trẻ con sẽ hỏi cha chúng: “Bố ơi, làm sao bố tìm được đường đi lối lại khắp đó đây khi mà tất cả những gì bố có chỉ là bộ định vị vệ tinh - GPS?”.

Thực vậy, bộ dẫn đường quán tính này đánh bại GPS không chỉ bởi nó cho ta biết mình đang đi trên con đường nào mà còn bằng hoạt động “cập nhật thời sự” về vị trí đang hiện hữu nó cho ta biết mình đang ở đâu cả khi ta ở trong nhà, trong lòng đất, dưới nước, trong các con hẻm của Manhattan, trong rừng già rậm rạp và trong vũ trụ sâu thẳm, nơi mà các thiết bị GPS không làm việc được, nơi mà con người và robot thực sự bị lạc lối, nếu chỉ có GPS

Ứng dụng quan trọng khác của laze nguyên tử là in hôlôgraf (“in ba chiều”). Giống như hôlôgraf quang học, hôlôgraf nguyên tử cho ta ảnh đích thực ba chiều của một đối tượng, do bước sóng của nó ngắn, nó có thể phân giải mịn gấp 70 ngàn lần ánh sáng. Và đúng là có thể làm cho các hạt nguyên tử chịu một sự thay đổi pha để có trạng thái giống như sóng và như vậy sóng nguyên tử có thể chuyển đổi trở lại thành các hạt. Điều đó có nghĩa là ảnh hôlôgraf có thể “trầm tích” chính nó như tuyết băng hình thành trên kính cửa sổ trong mùa đông ở các xứ lạnh.

Đúng là nghiên cứu này hiện đang còn ở trong giai đoạn cơ bản nhưng hiện hữu những khả năng trong sản xuất mạch. Trong tương lai các kĩ sư có thể làm lắng đọng “hoa văn” của một mạch tích hợp phức tạp, có độ nét kích thước vài nanomét trên bề mặt một bán dẫn. Việc tạo một mạch như thế này, từng nguyên tử một, có thể cho phép chế tạo ra các chi tiết, linh kiện chính xác đến một nguyên tử. Đây là một bước tiến hết sức quan trọng không chỉ đối với chế tạo linh kiện trong lĩnh vực điện tử mà còn trong chế tạo cơ khí nano mà không lâu trước đây còn là vấn đề hết sức gai góc cả khi đã có hiển vi lực nguyên tử. Tuy nhiên để chế tạo linh kiện cơ khí nano, do yêu cầu về sức bền vấn đề vật liệu cũng rất quan trọng vì không phải nguyên tố nào cũng có thể dễ dàng có được ngưng tụ Bose-Einstein. Vấn đề này sẽ được đề cập trong phần cuối của bài này.

Các ảnh hôlôgraf thông thường được tạo ra bằng cách tách một chùm laze quang học làm đôi và chuyển đi một nửa, gọi là chùm tia tham chiếu, trực tiếp đến một tấm phim và nửa còn lại, gọi là chùm tia vật, đến vật ta muốn chụp ảnh. Do ánh sáng đập vào vật bật ra nên đến phim chậm hơn so với chùm tham chiếu, nó bị trượt pha nên khi “gặp lại” nó có khả năng giao thoa với chùm tham chiếu. Vân giao thoa này là ảnh hôlôgraf bởi vì giờ đây nó có thể hoạt động như một lưới nhiễu xạ: rọi laze vào nó người ta có thể khôi phục ảnh nổi 3-D này.

Như vây, ảnh hôlôgraf tạo một hình bằng cách làm nhiễu xạ chùm ánh sáng trực tiếp. Phải chăng điều đó còn có nghĩa là, một lưới nhiễu xạ nào đó – một bảng hay “mặt nạ” với hàng ngàn lỗ khoan trên nó – cũng sẽ có tác dụng như một ảnh hôlôgraf? Đúng, sẽ là thế, nếu nó có các hoa văn đúng, hình thành từ các “lỗ khoan” rất nhỏ nói trên. Cái này rất có ích trong việc tạo ảnh hôlôgraf quang học khi ta không thể xuất phát từ một vật thật vì nó chưa hiện hữu mà từ một sự tưởng tượng về một vật chưa có thật, ví dụ một tầu vũ trụ thế hệ mới chẳng hạn. Ta có thể sử dụng lưới nhiễu xạ tương ứng từ các lỗ như là ảnh hôlôgraf của tầu vụ trụ này để thấy trước được hình ảnh ba chiều của nó. Kĩ thuật này là then chốt đối với phép chụp ảnh hôlôgraf nguyên tử vì các sóng nguyên tử không thể làm cho một vật phát sáng, giây phút nó đập vào cái gì đó, lập tức nó chuyển thành hạt và “dính” ngay vào đấy. Như vậy ta cần tìm ra cách đục lỗ một lưới nhiễu xạ sao cho nó tái tạo được một ảnh hôlôgraf bằng một thuật toán nào đó mà không phải mò mẫm.

Làm sao có thể có được vân lỗ tương ứng vật trên một lưới nhiễu xạ hay mặt nạ chụp ảnh hôlôgraf? Ta dùng kỹ xảo đã biết trong toán học như biến đổi Fourier. Kĩ thuật này thoạt đầu được triển khai để mô tả các hình thù phức tạp trong toán học. Biết rằng, bất kỳ một hình thù phức tạp nào đều có thể coi là tổng của một số hình thù đơn giản. Trong số các hình thù đơn giản này đáng chú ý nhất là các hình sin. Những sóng như thế này được mô tả bằng một công thức dễ hiểu với các tham số là tần số và biên độ. Một ảnh hôlôgraf hay bất kỳ một vân giao thoa nào tạo ra từ một đối tượng đều lưu giữ một cách chính xác những thông tin này thuộc về đối tượng đó và vì thế có thể coi là ảnh hôlôgraf là biến đổi Fourier của vật. Tương tự, ảnh 3-D của vật là “biến đổi” ngược của ảnh hôlôgraf - đó chính là lời giải của vấn đề vừa nêu.

Như vậy, nếu biết được ảnh mong muốn, ta cần thực hiện quy trình ngược để được ảnh hôlôgraf mô tả nó. Thông tin này phải được chuyển sang vân của một mặt nạ hôlôgraf. Sau đó có thể dùng kỹ thật in bằng chùm điện tử để đục các lỗ trên một lưới ô vuông để làm ra mặt nạ.

Giả sử, ảnh ta muốn là hình của một mạch tích hợp (hay một chi tiết cơ khí). Ta thực hiện quy trình ngược để được ảnh hôlôgraf, sau đó đục lỗ trên một lưới ô vuông có mật độ phù hợp để được mặt nạ. Kế đó ta bắn laze nguyên tử qua mặt nạ. Khi đó ngưng tụ Bose-Einstein trong chùm tia đi qua mặt nạ phân rã thành các gợn sóng. Các gợn sóng này sau đó giao thoa với nhau để tạo ra ảnh của mạch tích hợp trên một đế, “đóng băng” nó theo các diện mạo chi tiết của mạch đó [xem minh hoạ: “Xây dựng mạch từng nguyên tử một ”].

Những bức ảnh hôlôgraf nguyên tử đầu tiên được thực hiện, năm 1996, bởi Fujio Shimizu ở Trường Đại học Điện – Truyền thông tại Tokyo và đồng nghiệp của ông ở Phòng thí nghiệm Nghiên cứu cơ bản NEC tại Khu công nghệ cao Tsukuba, Nhật bản. Họ đã “trầm tích” thành công các ký tự lớn 1 mm và thậm chí cả những bức ảnh nghệ thuật nhỏ xíu.

Sau đó các cán bộ nghiên cứu của Shimizu đã nâng kĩ thuật chế tạo mặt nạ hôlôgraf lên tầm cao hơn. Họ triển khai một kĩ xảo cực kỳ thông minh để chế tạo các lớp mạch có “hoa văn” khác nhau từ cùng một vật liệu phôi mặt nạ “có sẵn”. Các mặt nạ này của họ ngoài lỗ ra còn có các rãnh xung quanh các lỗ chứa dây dẫn có thể nạp điện tích. Một điện thế giữa hai rãnh gây ra một sự chuyển pha trong sóng nguyên tử làm thay đổi bức tranh đã được tạo ra. Cụ thể là dùng các mặt nạ có mạng lỗ phân bố đều và khả năng thay đổi thế năng (điện thế) “hoạt tính” – có nghìa là khả năng làm chuyển pha - của các lỗ có thể điều khiển được. Theo cách này, sự chuyển mạch (switching) tạo điện tích trên các dây dẫn khác nhau tạo nên được các ảnh khác nhau mà không cần khoan lỗ mỗi lần cần thay đổi mặt nạ cho lớp mới. Hiện các nhà khoa học đã đủ khả năng sẵn sàng làm ra các mặt nạ với độ chính xác đến 150 nanomét và đang nghiên cứu thiết kế với những đường rãnh mảnh đến 1 nanomét.

Với phương pháp chụp ảnh hôlôgraf nguyên tử nếu ta bằng lòng với việc tạo ra một mạch của các nguyên tố thích hợp siêu nguyên tử (superatom – suitable element) như rubiđi và natri, một cách đơn giản là ta có thể trực tiếp trầm tích toàn bộ ảnh này lên bản phiến trong một nguyên công, hoàn toàn tương tự như quang ấn (photolithography). Nếu cần đến một vật liệu khó tạo ngưng tụ Bose-Einstein, chẳng hạn như vàng và nhôm, ta có thể dùng các nguyên tử rubiđi để loại ra sự “đề kháng”. Sau đó khảm các sợi vàng vào bản phiến bằng các kĩ thuật quen thuộc.

Trên các hoa văn đều, như các lưới hay mạng ô vuông, các đường có thể mảnh đến kích thước nguyên tử và được định vị xê dịch trong vòng một đường kính nguyên tử. Khả năng này sẽ làm cho phương pháp chụp ảnh hôlôgraf nguyên tử đặc biệt hữu ích trong công nghiệp sản xuất các thiết bị quang tử (photonic device) như là các thấu kính Fresnel kích thước nano và các lưới nhiễu xạ sử dụng trong công nghệ cảm quang, trong viễn thông và trong chụp ảnh. Trên một quy mô lớn hơn nào đó – các hình thù có kích thước khoảng 5 đến 10 nanomét – các đường này có thể tổ hợp để hình thành một ảnh mong muốn nào đó, kể cả một mạch tích hợp phức tạp, hay một “chi tiết máy” nano

Chưa hiện hữu trong thương mại các hệ thống sản xuất các mạch kích thước nanomét dùng phương pháp chụp ảnh hôlôgraf nguyên tử. Song các nhà nghiên cứu hoàn toàn tin tưởng rằng, sẽ có một ngày điều đó xảy ra. Và, như nhận xét đầy ý nhị của McCarthy, tác giả bài báo:  Nếu như công ty IBM đã có thể khoe hiển vi lực nguyên tử của họ với việc viết tên của bản hãng bằng các nguyên tử xênon thì tại sao JILA và MIT lại không đi một nước hay hơn với công nghệ chụp ảnh hôlôgraf nguyên tử? Họ có thể in lôgô của bản hãng lên một bán dẫn, một sản phẩm hoặc - còn thú vị hơn -  vẽ lên đó chân dung của Einstein và Bose.

Hình 1. Tạo laze nguyên tử như thế nào ?

1. Đặt vài gam rubiđi vào trong một buồng chân không có gắn 6 laze điôt chĩa

vào một điểm, các nguyên tử rubidi bốc hơi từ mẫu và áp suất ánh sáng laze

làm các nguyên tử này chậm đi.

2. Kkhi các nguyên tử chậm đi, nhiệt độ hiệu dụng của chúng tụt xuống còn một phần 10 ngàn độ Kenvin. Phần giao nhau của 6 chùm tia laze bẫy và giam các nguyên tử này, cách ly không cho chúng tiếp xúc với vách của buồng chân không có nhiệt độ phòng. Sau đó ngắt các laze đi đồng thời dùng bẫy   từ trường cầm tù chúng.

3. Khi các nguyên tử va đập vào nhau, một số rời khỏi bẫy, lấy năng lượng khỏi hệ thống, làm nó tiếp tục lạnh đi. Các nguyên tử còn lại trong bẫy chịu một tác động chuyển pha, tạo ra ngưng tụ Bose-Einstein gồm số nguyên tử lên đến 10 triệu.

4. Cuối cùng, ngắt bẫy từ trường đi. Ngưng tụ siêu lạnh này rơi xuống có hành vi một sóng – nó có thể phản xạ, nhiễu xạ, trượt pha và hội tụ. Sau đó ngưng tụ này vận động qua một bộ phận dẫn sóng tạo nên bởi laze ánh sáng, giải phóng chỗ cho việc tạo ra mẻ siêu nguyên tử thứ hai trong buồng chân không.

Làm chíp. Bằng cách rọi một chùm laze nguyên tử qua nột mặt nạ hôlôgraf các nhà sản xuất có thể xây dựng các mạch với các đường dẫn mảnh đúng bằng nguyên tử. Tương tự, kĩ thuật hôlôgraf có thể dùng vào việc chế tạo ra các chi tiết linh kiện nano khác.

Du hành. Các con quay dùng dùng laze nguyên tử có thể gắn vào các hệ thống dẫn đường quán tính, hoặc tương tự. Có thể dùng cho máy bay, tầu ngầm và các loại tầu thuyền khác với tính năng định vị chính xác mà không cần tham chiếu bất kỳ trạm bên ngoài nào, không như các hệ định vị vệ tinh GPS thường làm.

Đo lường và phát hiện. Các giao thoa kế dùng các laze nguyên tử sẽ đủ nhạy để phát hiện được cả những biến đổi nhỏ của trường hấp dẫn đến từ các trầm tích dầu mỏ, các đường hầm hoặc các mắcma sâu trong lòng đất

Hình 2. Lợi ích của siêu nguyên tử

Xây dựng các mạch từng nguyên tử một

Ghi chú của hình: Atom leser beam = Chùm laze nguyên tử

Holographic mask = mặt nạ hôlôgraf

Wavelets = Các gợn sóng

Substrate = Đế đỡ

Finished intergrated circuit = thành phẩm mạch tổ hợp

Khi chùm laze nguyên tử (đỏ) đập vào mặt nạ hôlôgraf (nâu) nó rã thành các gợn sóng. Sau đó các gợn sòng này giao thoa với nhau tạo nên ảnh hôlôgraf trên đế đỡ (nâu xanh). Để làm ra các lớp có hoa văn khác nhau, mặt nạ hôlôgraf có thể được làm từ cấu tạo có các rãnh chứa các dây dẫn nạp điện tích; một hiệu thế giữa hai rãnh gây ra biến đổi pha trong sóng nguyên tử. Kĩ thuật này đã được triển khai bởi Fujio Shimizu tại Trường Đại học Tổng hợp Điện-Viễn thông ở Tokyo, cho phép tạo ra các ảnh hôlôgraf khác nhau, đơn giản bằng cách chuyển mạch điện tích trên các dây dẫn khác nhau mà không cần đến nguyên công “khoan lỗ” trên mặt nạ mỗi lần cần đổi ảnh.