Giải Nobel Vật lí

Giải thưởng cao quý về lĩnh vực Vật lí
Nobel Vật lí 2012
NOBEL VẬT LÍ 2012
SERGE HAROCHE (1944-) VÀ DAVID J. WINELAND (1944-)
Serge Haroche (1944-)
Ngày 9 tháng 10 năm 2012 Viện Khoa học Hoàng gia Thụy Điển thành lập từ năm 1739 quyết định trao tặng Giải Nobel Vật lý năm 2012 cho Serge Haroche tại Cao đẳng Pháp quốc và Đại học Sư phạm (Paris, Pháp) và David J. Wineland tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) và Đại học Colorado Boulder (CO, Mỹ) “vì những phương pháp thực nghiệm đột phá cho phép đo và thao tác đối với các hệ lượng tử riêng biệt”. [prbreak]... [/prbreak]

David J. Wineland (1944-)

Dáng điệu của các thành phần riêng biệt mà chúng tạo nên thế giới của chúng ta – các nguyên tử (vật chất) và các photon (ánh sáng) – được mô tả bởi cơ học lượng tử. Các hạt này hiếm khi cô lập và thường tương tác mạnh với môi trường của chúng. Dáng điệu của một tập hợp các hạt nói chung khác với dáng điệu của các hạt cô lập và thường có thể được mô tả bởi vật lý cổ điển. Từ lúc bắt đầu lĩnh vực cơ học lượng tử, các nhà vật lý sử dụng các thí nghiệm tưởng tượng để đơn giản hoá Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 toán và để dự đoán dáng điệu của hạt lượng tử đơn.

Trong những năm 1980 và 1990, các phương pháp được phát minh để làm lạnh các ion riêng biệt bị bắt giữ trong một bẫy và để điều khiển trạng thái của chúng nhờ ánh sáng laze. Các ion riêng biệt bây giờ có thể được thao tác và quan sát ở nguyên vị (in situ) bằng cách sử dụng các photon với chỉ tương tác tối thiểu với môi trường. Trong loại thí nghiệm khác, các photon có thể bị bẫy trong một hốc và có thể tiến hành thoa tác chúng. Có thể quan sát chúng mà chúng không bị phá hủy thông qua các tương tác với các nguyên tử trong các thí nghiệm thiết kế khéo léo. Các kỹ thuật này dẫn tới các nghiên cứu tiên phong mà chúng kiểm tra cơ sở của cơ học lượng tử và sự chuyển tiếp giữa thế giới vi mô và thế giới vĩ mô không chỉ trong các thí nghiệm tưởng tượng mà còn trong thực tế. Chúng đã thúc đẩy lĩnh vực tính toán lượng tử cũng như dẫn tới một thế hệ mới của các đồng hồ quang với độ chính xác cao.

Gải thưởng Nobel Vật lý năm 2012 vinh danh các phát minh thực nghiệm cho phép đo và điều khiển các hệ lượng tử riêng biệt. Chúng thuộc về hai công nghệ tách biệt nhưng có liên quan với nhau là các ion trong một bẫy điều hoà và các photon trong một hốc. Có những sự tương tự lý thú giữa hai công nghệ này. Trong cả hai trường hợp, các trạng thái lượng tử được quan sát thấy thông qua các phép đo không phá hủy lượng tử trong đó các hệ hai mức được liên kết với một dao động tử điều hoà lượng tử. Đó là Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 toán được mô tả bởi cái gọi là hàm Hamilton Jaynes – Cummings. Hệ hai mức bao gồm một ion (với hai mức liên kết bởi ánh sáng laze) hoặc một nguyên tử kích thích mạnh (với hai mức Rydberg liên kết bởi một trường vi ba). Dao động tử điều hoà lượng tử mô tả chuyển động của ion trong bẫy hoặc trường vi ba trong hốc.

Giải thưởng Nobel được trao cho những ngưới làm chủ được các hạt. Những người này có khả năng làm cho các hạt riêng biệt bị bẫy xử sự theo các qui luật của vật lý lượng tử.

Serge Haroche và David J. Wineland độc lập với nhau đã phát minh và phát triển các phương pháp để đo và thao tác các hạt riêng biệt trong lúc bảo toàn bản chất cơ học lượng tử của chúng theo các cách mà trước đây người ta nghĩ là không thể đạt tới chúng.

Những người đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2012 mở ra một kỷ nguyên mới của vật lý lượng tử thực nghiệm bằng cách chứng minh việc quan sát trực tiếp các hạt lượng tử riêng biệt mà không phá hủy chúng. Các định luật cơ học cổ điển mất tác dụng và vật lý lượng tử chi phối các hạt ánh sáng hoặc hạt vật chất đơn. Nhưng các hạt đơn không dễ dàng bị cô lập với môi trường xung quanh của chúng và chúng mất các tinh chất lượng tử bí ẩn của chúng ngay khi chúng tương tác với thế giới bên ngoài. Khi đó, nhiều hiện tượng có vẻ kỳ cục theo dự đoán của vật lý lượng tử không thể quan sát được một cách trực tiếp và các nhà nghiên cứu chỉ có thể thực hiện “các thực nghiệm tưởng tượng” mà chúng về nguyên tắc có thể biểu hiện các hiện tượng kỳ cục này.
Nhờ các phương pháp thực nghiệm tài tinh, Haroche và Wineland cùng với các nhóm nghiên cứu của mình có khả năng đo và điều khiển các trạng thái lượng tử rất mỏng manh mà trước đây người ta nghĩ là không thể tiếp cận tới chúng đối với quan sát trực tiếp. Các phương pháp mới cho phép họ kiểm tra, điều khiển và đếm các hạt.

Các phương pháp của họ có nhiều điểm chung. David Wineland bẫy nguyên tử tích điện hay các ion, điều khiển và đo chúng với ánh sáng hay các photon.

Serge Haroche theo cách tiếp cận ngược lại: ông điều khiển và đo các photon hay các hạt ánh sáng bị bẫy bằng cách gửi các nguyên tử qua một bẫy.

Cả hai người đoạt Giải Nobel làm việc trong lĩnh vực quang lượng tử và họ nghiên cứu tương tác cơ bản giữa ánh sáng và vật chất. Quang lượng tử có những tiến bộ đáng kể từ giữa những năm 1980. Các phương pháp thực nghiệm đột phá của họ cho phép lĩnh vực nghiên cứu này đạt được những bước đi đầu tiên hướng tới một loại máy tinh cực nhanh mới trên cơ sở vật lý lượng tử. Có lẽ máy tinh lượng tử sẽ thay đổi cuộc sống hàng ngày của chúng ta trong thế kỷ này theo cùng một cách căn bản giống như máy tinh cổ điển đã làm trong thế kỷ trước. Nghiên cứu cũng dẫn tới việc chế tạo các đồng hồ cực kỳ chính xác mà chúng có thể trở thành cơ sở tương lai cho một chuẩn mới của thời gian với độ chính xác lớn hơn 100 lần so với các đồng hồ chính xác nhất hiện nay là các đồng hồ xesi (Cs).

Serge Haroche là công dân Pháp sinh năm 1944 tại Casablanca (Morocco). Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 1971 tại Đại học Pierre và Marie Curie (Paris, Pháp). Ông là giáo sư tại Cao đẳng Pháp quốc và Đại học Sư phạm (Paris, Pháp).

David J. Wineland là công dân Mỹ sinh năm 1944 tại Milwaukee (WI, Mỹ). Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ tại Đại học Havard ở Cambridge (MA, Mỹ). Ông là Trưởng nhóm nghiên cứu và thành viên Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia NIST và Đại học Colorado Boulder (CO, Mỹ).

Trong phòng thí nghiệm của David Wineland ở Boulder (Colorado), các nguyên tử tích điện hay các ion bị giữ trong một bẫy với các điện trường bao quanh chúng. Các hạt bị cô lập với nhiệt và bức xạ trong môi trường của chúng bằng cách tiến hành các thực nghiệm trong chân không tại các nhiệt độ cực thấp.
Một trong các bí mật trong khám phá của Wineland là việc làm chủ nghệ thuật sử dụng chùm laze và tạo ra xung laze. Một laze được dùng để triệt chuyển động nhiệt của ion trong bẫy, đưa ion vào trong trạng thái năng lượng thấp nhất của nó và điều đó cho phép nghiên cứu các hiện tượng lượng tử với ion bị bẫy. Có thể sử dụng một xung laze điều hưởng cẩn thận để đưa ion vào trong một trạng thái chồng chập mà nó là sự tồn tại đồng thời của hai trạng thái khác nhau rõ rệt. Chẳng hạn như có thể tạo ra ion chiếm giữ hai mức năng lượng khác nhau một cách đồng thời. Ion bắt đầu ở một mức năng lượng thấp nhất và xung laze chỉ đẩy ion giữa đường hướng tới một mức năng lượng cao hơn sao cho nó ở bên trái khoảng giữa hai mức trong một sự chồng chập của các trạng thái năng lượng với một xác suất kết thúc ở trạng thái này bằng xác suất kết thúc ở trạng thái kia. Bằng cách đó có thể nghiên cứu một sự chồng chập lượng tử đối với các trạng thái năng lượng của ion.

Serge Haroche và nhóm nghiên cứu của ông sử dụng một phương pháp khác để tìm hiểu các bí ẩn của thế giới lượng tử. Trong phòng thí nghiệm ở Paris, các photon vi ba nẩy qua lại bên trong một hốc nhỏ giữa hai gương cách xa nhau khoảng 3 cm. Các gương làm bằng vật liệu siêu dẫn và được làm lạnh tới một nhiệt độ ngay trên không độ tuyệt đối. Các gương siêu dẫn này là các gương sáng bóng nhất thế giới. Các gương phản xạ ánh sáng sao cho một photon đơn có thể nẩy qua lại bên trong hốc trong khoảng gần 1/ 10 giây trước khi nó mất đi hay bị hấp thụ. Thời gian sống lâu kỷ lục này có nghĩa là photon sẽ đi được quãng đường dài 40 000 km gần tương đương với một chuyến đi vòng quanh Trái Đất.

Trong thời gian sống lâu của phonton như vậy, có thể tiến hành nhiều thao tác lượng tử với photon bị bẫy. Haroche sử dụng các nguyên tử được chế tạo đặc biệt gọi là các nguyên tử Rydberg (mang tên của nhà Vật lý Thụy Điển Johannes Rydberg) để điều khiển và đo photon viba ở trong hốc. Một nguyên tử Rydberg có bán kính khoảng 125 nm mà nó lớn hơn gần 1000 lần so với các nguyên tử thông thường. Các nguyên tử Rydberg dạng bánh rán khổng lồ này được gửi từng nguyên tử một vào trong hốc tại một tốc độ lựa chọn cẩn thận sao cho tương tác với photon vi ba xảy ra theo một cách điều khiển tốt.

Nguyên tử Rydberg đi ngang qua hốc và thoát khỏi hốc. Nó để lại photon vi ba phía sau. Nhưng tương tác giữa photon và nguyên tử sinh ra sự thay đổi pha trạng thái của nguyên tử: nếu ta nghĩ trạng thái lượng tử của nguyên tử như một sóng, các đỉnh và độ nghiêng của sóng bị dịch đi. Sự dịch pha này có thể đo được khi nguyên tử thoát khỏi hốc và bằng cách đó có thể phát hiện sự có mặt hoặc vắng mặt của một photon bên trong hốc. Không có photon thì không có sự dịch pha. Haroche khi đó có thể đo một photon đơn mà không phá hủy nó.

Với một phương pháp tương tự, Haroche và nhóm của ông có thể đếm được các photon bên trong hốc giống như một đứa trẻ đếm các bi trong một bát. Điều này nghe có vẻ dễ dàng nhưng đòi hỏi kỹ năng và sự khéo léo đặc biệt do các photon không giống như các bi thông thường vì chúng bị phá hủy ngay bởi tiếp xúc với thế giới bên ngoài. Dựa trên các phương pháp đếm photon của mình, Haroche và các cộng tác viên đã nghĩ ra các phương pháp theo dõi sự tiến triển từng bước một của một trạng thái lượng tử riêng biệt trong thời gian thực.

Cơ học lượng tử mô tả một thế giới vi mô không nhìn thấy được đối với mắt trần mà ở đó các sự kiện xảy ra ngược với kì vọng và kinh nghiệm của chúng ta đối với các hiện tượng vật lý trong thế giới vĩ mô cổ điển. Vật lý trong thế giới lượng tử có một sự bất định vốn có nào đó hay sự ngẫu nhiên đối với nó. Một ví dụ của dáng điệu trái ngược này là sự chồng chập mà ở đó một hạt lượng tử có thể ở một vài trạng thái khác nhau một cách đồng thời. Thông thường ta không nghĩ là một bi ở cả chỗ này và chỗ kia cùng một lúc nhưng điều này xảy ra nếu đó là một bi lượng tử. Trạng thái chồng chập của bi lượng tử nói cho ta chính xác xác suất mà bi có khi ở chỗ này hoặc chỗ kia nếu mà ta xác định được chính xác nó ở đâu.

Tại sao ta không bao giờ nhận biết được các khía cạnh kỳ lạ này trong thế giới của chúng ta? Tại sao ta không thể quan sát thấy sự chồng chập của bi lượng tử trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta? Nhà Vật lý người Áo đoạt Giải Nobel Vật lý năm 1933 Erwin Schrodinger đã vật lộn với câu hỏi này. Giống như nhiều người tiên phong khác của lý thuyết lượng tử, ông cố gắng hiểu và giải thích các ẩn ý của nó. Cuối năm 1952, ông viết: “Chúng ta không bao giờ làm thí nghiệm được với một electron, một nguyên tử hoặc một phân tử (nhỏ). Trong các thí nghiệm tưởng tượng, đôi khi chúng ta giả định rằng ta làm được; điều này luôn luôn đòi hỏi các hệ quả nực cười…”.

Để minh họa các hệ quả vô lý của chuyển động giữa thế giới vi mô của vật lý lượng tử và thế giới vĩ mô hàng ngày của chúng ta, Schrodinger mô tả một thí nghiệm tưởng tượng với một con mèo. Con mèo của Schrodinger ở bên trong một hộp cô lập hoàn toán với thế giới bên ngoài. Hộp cũng chứa một bình xyanua gây chết mà nó chỉ được bỏ đi sau sự phân rã của nguyên tử phóng xạ nào đó cũng ở bên trong hộp. Sự phân rã phóng xạ bị chi phối bởi các định luật của cơ học lượng tử mà nhờ đó, vật liệu phóng xạ ở trong một trạng thái chồng chập của cả cái đã phóng xạ và cái chưa phóng xạ. Do đó, mèo cũng cần phải ở trong trạng thái chồng chập của sự chết và sự sống. Bây giờ nếu bạn nhìn trộm vào trong hộp, bạn có nguy cơ phải giết chết mèo bởi vì sự chồng chập lượng tử nhạy với tương tác với môi trường đến mức một cố gắng nhỏ nhất để quan sát mèo sẽ ngày lập tức làm “suy sụp” “trạng thái của mèo” tới một trong hai kết quả có thể có là sự sống và sự chết. Theo quan điểm của Schrodinger, thí nghiệm tưởng tượng này dẫn tới một kết luận vô lý và sau đó ông đã cố gắng xin lỗi vì thêm vào sự lầm lẫn lượng tử.

Cả hai người đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2012 có khả năng xếp đặt trạng thái mèo lượng tử khi nó gặp thế giới bên ngoài. Họ đã nghĩ ra các thí nghiệm sáng tạo và tìm được cách chứng tỏ ở mức độ rất chi tiết làm thế nào để tác dụng đo thực tế làm cho trạng thái lượng tử suy sụp và mất đặc tinh chồng chập của nó. Thay cho con mèo của Schrodinger, Haroche và Wineland bẫy các hạt lượng tử và đưa chúng vào các trạng thái chồng chập giống như mèo. Các đối tượng lượng tử này thực ra không phải là các đối tượng vĩ mô giống như mèo nhưng chúng còn khá lớn bởi các chuẩn lượng tử.

Bên trong hốc của Haroche, các photon vi ba được đưa vào các trạng thái giống mèo với các pha ngược nhau cùng lúc giống như một đồng hồ bấm giờ với một kim xoay tròn theo chiều kim đồng hồ và ngược chiều kim đồng hồ một cách đồng thời. Trường vi ba bên trong hốc khi đó được dò với các nguyên tử Rydberg. Kết quả là hiệu ứng lượng tử không thể hiểu được khác gọi là sự vướng víu. Sự vướng víu cũng đã được mô tả bởi Erwin Schrodinger và có thể xảy ra giữa hai hoặc nhiều hạt lượng tử hơn mà chúng không có tiếp xúc trực tiếp nhưng còn có thể đọc được và ảnh hưởng đến các tinh chất của nhau. Sự vướng víu của trường vi ba và các nguyên tử Rydberg cho phép Haroche sắp xếp sự sống và cái chết của trạng thái giống mèo bên trong hốc của mình, theo nó từng buớc một và từng nguyên tử một giống như nó trải qua một sự chuyển tiếp từ sự chồng chập lượng tử của các trạng thái tới một trạng thái xác định của vật lý cổ điển.

Một ứng dụng khả dĩ của các bẫy ion mà nhiều nhà khoa học mơ ước là máy tinh lượng tử. Trong các máy tinh cổ điển hiện nay, đơn vị thông tin nhỏ nhất là một bit mà nó lấy giá trị 1 hoặc 0. Tuy nhiên, trong một máy tinh lượng tử, đơn vị thông tin cơ bản là một bit lượng tử hay một qubit và có thể là 1 và 0 một cách đồng thời. Hai bit lượng tử có thể đồng thời lấy bốn giá trị là 00,01,10 và 11 và mỗi một qubit thêm vào tăng gấp đôi số lượng của các trạng thái khả dĩ. Đối với n bit lượng tử có 2^n trạng thái khả dĩ và một máy tinh lượng tử với chỉ 300 qubit có thể giữ 2^(300) giá trị một cách đồng thời. Con số này nhiều hơn số nguyên tử trong vũ trụ.

Nhóm của Wineland lần đầu tiên trên thế giới chứng minh một sự vận hành lượng tử với hai bit lượng tử. Do những sự vận hành điều khiển cũng đã đạt được với một ít qubit, về nguyên tắc không có lý do để tin rằng không thể đạt được những sự vận hành như thế với nhiều qubit hơn. Tuy nhiên, việc chế tạo một máy tinh lượng tử như vậy là một thách thức thực tế khổng lồ. Việc chế tạo này cần phải thỏa mãn hai đòi hỏi ngược nhau. Thứ nhất là các qubit cần phải được cô lập đầy đủ với môi trường của chúng để không phá hủy các tinh chất lượng tử của chúng. Thứ hai là chúng cũng cần phải có khả năng liên lạc với thế giới bên ngoài để chuyển các kết quả tinh toán của chúng. Có lẽ máy tinh lượng tử sẽ được chế tạo trong thế kỷ này. Nếu đúng như vậy, nó sẽ làm thay đổi cuộc sống của chúng ta theo cùng một cách căn bản giống như máy tinh cổ điển đã làm biến đổi cuộc sống trong thế kỷ đã qua.

Wineland và nhóm nghiên cứu của ông cũng đã sử dụng các ion trong một bẫy để chế tạo một đồng hồ chính xác hơn 100 lần so với các đồng hồ nguyên tử dựa trên xesi (Cs) mà chúng là chuẩn hiện nay trong phép đo thời gian của chúng ta. Thời gian được duy trì bằng cách đặt hoặc đồng bộ hoá tất cả các đồng hồ dựa vào một chuẩn. Các đồng hồ xesi hoạt động trong khoảng vi ba trong khi các đồng hồ ion của Wineland sử dụng ánh sáng nhìn thầy và vì thế chúng có tên là các đồng hồ quang. Một đồng hồ quang có thể bao gồm đúng một ion hoặc hai ion trong một bẫy. Trong số hai ion, một ion được sử dụng như đồng hồ và ion kia được sử dụng để đọc đồng hồ mà không phá hủy trạng thái của nó hoặc làm cho nó trượt một tích tắc. Độ chính xác của một đồng hồ quang chỉ ngay dưới 10^(-17) giây (cao hơn 2 bậc độ lớn so với các đồng hồ Cs) mà nó có nghĩa là nếu người ta bắt đầu đo thời gian vào lúc bắt đầu vũ trụ trong Vụ nổ lớn (Big Bang) khoảng 14 tỷ năm trước đây cho đến bây giờ, đồng hồ quang chỉ sai lệch khoảng 5 giây.

Với phép đo thời gián chính xác như thế, có thể quan sát thấy một số hiện tượng tự nhiên cực kỳ tinh tế và ngoạn mục chẳng hạn như những thay đổi trong dòng chảy của thời gian hoặc những biến thiên phút của trọng lực, cơ cấu (fabric) không gian – thời gian. Theo thuyết tương đối của Einstein, thời gian bị ảnh hưởng bởi chuyển động và trọng lực. Tốc độ càng cao và trọng lực càng lớn thì sự trôi qua của thời gián càng chậm. Chúng ta có thể không nhận biết được những ảnh hưởng này nhưng chúng thực tế trở thành một phần trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Khi chúng ta định vị với GPS, chúng ta dựa vào các tín hiệu thời gian từ các vệ tinh với các đồng hồ được định cỡ theo thường lệ vì trọng lực hơi yếu đi khi đi lên trên bầu trời một vài trăm kilômét. Với một đồng hồ quang có thể đo được sự thay đổi trong sự trôi qua của thời gian khi tốc độ của đồng hồ thay đổi dưới 10 m/ s hoặc khi trọng lực thay đổi do sự thay đổi độ cao chỉ là 30 cm.

Tác giả Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 viết: PGS. TS Nguyễn Quang Học
Nguồn tin: Khoa Vật lý - Đại học Sư phạm Hà Nội
 
Nobel Vật lí 2011

Ngày 4 tháng 10 năm 2011 Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã quyết định trao một nửa Giải Nobel Vật lý năm 2011 cho Saul Perimutter của Dự án vũ trụ sao mới rực sáng (supemova) thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học California (Berkeley, CA, Mỹ) và một nửa còn lại trao cho Brian P. Schmidt của Đội tìm kiếm sao mới rực sáng có z cao thuộc Đại học Quốc gia Ôxtrâylia (Weston Creek, Ôxtrâylia) và Adam G. Riess của Đội tìm kiếm sao mới rực sáng có z cao thuộc Đại học Johns Hopkins và Viện Khoa học kính thiên văn không gian (Baltimore, MD. Mỹ) “vì phát minh ra sự dãn nở tăng tốc của Vũ trụ thông qua quan sát các sao mới rực sáng ở xa” .

Saul Perimutter là công dân Mỹ và sinh năm 1959 tại Champaign-Urbana (IL, Mỹ). Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 1986 tại Đại học Canifornia (Berkeley, Mỹ). Perimutter là Trưởng Dự án vũ trụ sao mới rực sáng và giáo sư vật lý thiên văn tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học California (Berkeley, CA, Mỹ).

Brian P. Schmidt là công dân Mỹ và Ôxtrâylia và sinh năm 1967 tại Missoula (MT, Mỹ). Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 1993 tại Đại học Harvard ở Cambridge (MA, Mỹ). Schmidt là Trưởng Đội tìm kiếm sao mới rực sáng có z cao và là giáo sư nổi bật tại Đại học Quốc gia Ôxtrâylia (Weston Creek, Ôxtrâylia).

Adam G. Riess là công dân Mỹ và sinh năm 1969 tại Washington D. C. (Mỹ). Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 1996 tại Đại học Harvard ở Cambridge (MA, Mỹ). Riess là giáo sư thiên văn và vật lý tại Đại học Johns Hopkins và Viện Khoa học kính thiên văn không gian (Baltimore, MD. Mỹ).

“Một số người nói thế giới kết thúc trong lửa, một số người nói thế giới kết thúc trong băng giá…”. Cái gì sẽ là số mệnh cuối cùng của Vũ trụ? Có thể nó sẽ kết thúc trong băng giá nếu chúng ta tin vào những người đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2011. Họ đã nghiên cứu một vài tá sao nổ gọi là các sao mới rực sáng và phát hiện thấy rằng Vũ trụ đang dãn nở với sự tăng tốc liên tục. Phát minh đến hoàn toàn bất ngờ ngay cả đối với những người đoạt Giải. Điều họ nhìn thấy sẽ giống như ném một quả bóng vào trong không khí và thay vì có nó rơi xuống quay trở lại, theo dõi giống như nó biến mất ngày càng nhanh hơn vào trong bầu trời như thể trọng lực không thể đảo ngược quĩ đạo của quả bóng. Một điều gì đó tương tự dường như là đang diễn ra xuyên qua toàn bộ Vũ trụ.

Năm 1998 các nền tảng của vũ trụ học bị lung lay khi hai đội nghiên cứu giới thiệu các kết quả của họ. Đội thứ nhất là đội nghiên cứu của Dự án vũ trụ sao mới rực sáng hình thành từ năm 1988 và do Perimutter đứng đầu. Đội thứ hai là Đội tìm kiếm sao mới rực sáng có z cao do Schmidt đứng đầu và bắt đầu hoạt động từ cuối năm 1994 và trong đội này, Riess đóng một vai trò quyết định.

Các kính thiên văn tinh vi hơn ở trên mặt đất và trong không gian cũng như các máy tính mạnh hơn và các bộ cảm biến hình ảnh số nhạy ánh sáng gọi là thiết bị liên kết tích điện (CCD) được trao Giải Nobel Vật lý năm 2009 mở ra khả năng trong những năm 1990 khám phá những điều mới mẻ hơn về bí ẩn của vũ trụ.

Các đội nghiên cứu chạy đua với nhau để vẽ bản đồ Vũ trụ bằng cách định vị các sao mới rực sáng ở xa nhất. Sao mới rực sáng là vụ nổ sao trong không gian. Bằng cách thiết lập khoảng cách tới các sao mới rực sáng và tốc độ mà chúng chuyển động ra xa chúng ta, các nhà khoa học hi vọng phát hiện ra số mệnh vũ trụ của chúng ta. Họ kì vọng tìm thấy các dấu hiệu chứng tỏ rằng sự dãn nở của Vũ trụ đang chậm lại mà nó sẽ dẫn tới sự cân bằng giữa lửa và băng giá. Điều họ tìm thấy là điều ngược lại – sự dãn nở đang tăng tốc.

Các đội nghiên cứu đã dùng một loại sao mới rực sáng đặc biệt gọi là sao mới rực sáng Ia. Nó là một sự nổ của sao chặt già nặng bằng Mặt Trời và nhỏ bằng Trái Đất. Một sao mới rực sáng đơn như thế có thể phát ra ánh sáng nhiều bằng toàn bộ một thiên hà. Xét về mọi mặt, hai đội nghiên cứu đã tìm ra hơn 50 sao mới rực sáng ở xa mà ánh sáng của chúng yếu hơn so với kì vọng. Đó là một dấu hiệu chứng tỏ rằng sự dãn nở của Vũ trụ đang được tăng tốc. Cả hai đội đã gặp rất nhiều những khó khăn bất ngờ và tiến đến cùng một kết luận đáng kinh ngạc.

Trong gần một thế kỷ, con người biết được Vũ trụ đang dãn nở như là hệ quả của Vụ nổ lớn (Big bang) khoảng 14 tỷ năm trước đây. Sự dãn nở này bị chậm lại trong một vài tỷ năm đầu tiên sau Vụ nổ lớn. Tuy nhiên, việc phát hiện ra sự dãn nở này đang tăng tốc vẫn gây ra sự sửng sốt. Nếu sự dãn nở này tiếp tục tăng tốc, Vũ trụ sẽ kết thúc trong băng giá.

Tốc độ tăng của sự dãn nở ngụ ý rằng Vũ trụ đang bị đẩy ra xa bởi một dạng năng lượng chưa biết gọi là năng lượng tối gắn bên trong cấu trúc không gian. Sự tăng tốc được cho là bị điều khiển bởi năng lượng tối nhưng cái điều năng lượng tối là gì còn là một bí ẩn có lẽ là lớn nhất trong vật lý hiện nay. Điều người ta đã biết là năng lượng tối lúc đầu chỉ cấu thành một phần nhỏ của Vũ trụ và tạo thành khoảng ba phần tư Vũ trụ. Khi vật chất bị loãng đi bởi sự dãn nở, vật chất tối trở nên trội hơn. Do đó, những tìm kiếm của những người đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2011 giúp cởi bỏ màn che một Vũ trụ mà nó ở mức độ lớn chưa được khoa học biết đến, Và hơn nữa, mọi điều đều có thể xảy ra.

Đó không phải là lần đầu tiên một phát kiến thiên văn cách mạng hóa các ý tưởng của chúng ta về Vũ trụ. Chỉ một trăm năm trước đây, Vũ trụ được coi như là một nơi êm ả và yên tĩnh, không lớn hơn thiên hà riêng của chúng ta là Ngân hà. Đồng hồ vũ trụ chạy đều đặn và đáng tin cậy và Vũ trụ là vĩnh hằng. Tuy nhiên, một sự dịch chuyển căn bản sớm làm thay đổi bức tranh này.

Vào đầu thể kỷ XX, nhà thiên văn học người Mỹ Henrietta Swan Leavitt đã tìm ra cách đo các khoảng cách tới các sao xa xôi. Khi đó, các nhà thiên văn học nữ không được lui tới các kính thiên văn lớn nhưng họ thường xuyên được sử dụng cho một công việc chậm chạp nặng nề là phân tích các tấm kính ảnh. Henrietta Leavitt đã nghiên cứu hàng ngàn sao mạch động gọi là Cepheid và phát hiện thấy rằng các sao sáng hơn có các xung dài hơn. Khi sử dụng thông tin này, Leavitt có thể tính được độ sáng riêng của các Cepheid.

Nếu biết khoảng cách chỉ của một trong các sao Cepheid thì có thể thiết lập các khoảng cách tới các Cepheid khác. Ánh sáng của nó càng mờ thì sao càng ở xa. Một nến chuẩn đáng tin cậy đã được sinh ra. Đó là một dấu hiệu đầu tiên về tiêu chuẩn so sánh vũ trụ mà nó còn được sử dụng đến tận bây giờ. Bằng cách dùng các Cepheid, các nhà thiên văn học đã sớm kết luận rằng Ngân hà chỉ một trong nhiều thiên hà trong Vũ trụ. Và vào những năm 1920, các nhà thiên văn học sử dụng kính thiên văn lớn nhất thế giới lúc đó là kính thiên văn Mount Wilson ở California và nhờ đó đã chứng minh được rằng hầu như tất cả các thiên hà đang chuyển động ra xa chúng ta. Họ nghiên cứu cái gọi là sự dịch chuyển về phía đỏ mà nó xảy ra khi một nguồn ánh sáng đang lùi ra xa chúng ta. Bước sóng ánh sáng dài ra và sóng càng dài thì màu sắc của nó càng đỏ. Kết luận được rút ra là các thiên hà đang bị đẩy ra xa nhau và ra xa chúng ta. Chúng ở càng xa thì chúng chuyển động càng nhanh. Đó là định luật Hubble. Vũ trụ đang nở ra.

Điều quan sát thấy trong không gian cũng đã được đề xuất bởi các tính toán lý thuyết. Năm 1915 Albert Einstein đã công bố Thuyết tương đối rộng (thuyết tương đối tổng quát) mà nó là cơ sở cho hiểu biết của chúng ta về Vũ trụ suốt từ đó đến nay. Lý thuyết này mô tả một Vũ trụ mà cần phải hoặc co lại hoặc nở ra.

Kết luận gây nhiễu này đạt được một thập kỷ trước khi phát hiện ra các thiên hà không ngừng tan biến. Không phải ngay cả Einstein có thể dung hòa được thực tế là Vũ trụ là không tĩnh. Do đó, để dừng lại sự dãn nở vũ trụ không mong muốn này Einstein thêm một hằng số mà ông gọi là hằng số vũ trụ vào trong phương trình của mình. Về sau, Einstein coi việc lồng vào một hằng số vũ trụ là một sai lầm lớn. Tuy nhiên, với những quan sát được thực hiện trong những năm 1997-1998 mà chúng được trao Giải Nobel Vật lý năm 2011 chúng ta có thể kết luận rằng hằng số vũ trụ của Einstein được đưa vào vì những lý do không đúng thực sự là tuyệt vời.

Phát minh Vũ trụ dãn nở là bước quan trọng đầu tiên tiến đến quan điểm chuẩn hiện nay là Vũ trụ sinh ra trong Vụ nổ lớn 14 tỷ năm trước đây. Cả không gian và thời gian bắt đầu từ đó. Suốt từ đó, Vũ trụ vẫn đang dãn nở. Giống như các nho khô trong một bánh nho nở phồng ra trong lò, các thiên hà đang chuyển động ra xa nhau nhờ vào sự dãn nở vũ trụ. Nhưng chúng ta đang đi về đâu?

Khi Einstein từ bỏ hằng số vũ trụ và đầu hàng ý tưởng về một Vũ trụ không tĩnh, ông đã liên hệ hình dạng hình học của Vũ trụ với số mệnh của nó. Nó đóng hay mở hay nó là một cái gì đó ở giữa nghĩa là Vũ trụ phẳng?

Một Vũ trụ mở là một Vũ trụ trong đó lực hấp dẫn của vật chất không đủ lớn để chống lại sự dãn nở của Vũ trụ. Toàn bộ vật chất khi đó bị pha loãng trong một không gian ngày càng lớn hơn, ngày càng lạnh đi và ngày càng trống rỗng hơn. Mặt khác, trong một Vũ trụ đóng lực hấp dẫn đủ mạnh để ngừng và thậm chí đảo ngược sự dãn nở. Vì thế, Vũ trụ cuối cùng sẽ dừng dãn nở và quay trở lại cùng nhau trong một sự kết thúc nóng và mãnh liệt gọi là Sự gặm lớn (Big Crunch). Tuy nhiên, phần lớn các nhà vũ trụ học sẽ thích sống trong Vũ trụ đơn giản nhất và đẹp về mặt toán học. Đó là một Vũ trụ phẳng trong đó sự dãn nở được cho là bị suy giảm. Vũ trụ như thế sẽ kết thúc không phải trong lửa và cũng không phải trong băng giá. Nhưng không có sự lựa chọn. Nếu có một hằng số vũ trụ, sự dãn nở sẽ tiếp tục được tăng tốc cho dù Vũ trụ là phẳng.

Những người đoạt Giải Nobel năm 2011 kì vọng đo được sự giảm tốc vũ trụ hoặc sự dãn nở của Vũ trụ đang chậm lại như thế nào. Phương pháp của họ về nguyên tắc giống như phương pháp được các nhà thiên văn sử dụng hơn sáu thập kỷ trước đây. Đó là định vị các sao ở xa và xác định xem chúng chuyển động như thế nào. Tuy nhiên, nói dề hơn làm. Từ thời của Henrietta Leavitt, nhiều Cepheid khác đã được tìm ra mà chúng thậm chí ở xa hơn. Nhưng tại các khoảng cách mà các nhà thiên văn cần phải nhìn thấy là ở xa hàng tỷ năm ánh sáng, các Cepheid không còn nhìn thấy được nữa. Tiêu chuẩn so sánh vũ trụ cần phải được mở rộng. Các sao mới rực sáng trở thành các nến tiêu chuẩn mới.

Công cụ mới nhất trong hộp công cụ của nhà thiên văn là một loại đặc biệt của sự nổ sao gọi là sao mới rực sáng loại Ia. Trong một ít tuần, một sao mới rực sáng đơn như thế có thể phát ra ánh sáng nhiều bằng toàn bộ một thiên hà. Loại sao mới rực sáng này là sự nổ của một sao già cực chặt nặng bằng Mặt Trời nhưng nhỏ bằng Trái Đất. Đó là sao lùn trắng. Sự nổ là bước cuối cùng trong chu trình sống của sao lùn trắng.
Các sao lùn trắng tạo thành khi một sao cũng không có năng lượng tại lõi của nó giống như tất cả các hiđrô và hêli đều bị cháy trong các phản ứng hạt nhân. Chỉ có cacbon và ôxi được giữ lại. Theo cùng một cách, trong tương lai xa Mặt Trời của chúng ta sẽ tàn phai và nguội đi khi nó tiến đến sự kết thúc của nó giống như một sao lùn trắng.

Một sự kết thúc kích động hơn nhiều chờ đợi một sao lùn trắng mà nó là một phần của một hệ sao đôi. Hệ sao này là khá phổ biến. Trong trường hợp này, lực hấp dẫn mạnh của sao lùn trắng lấy mất chất khí của sao đồng hành với nó. Tuy nhiên, khi sao lùn trắng tăng đến khối lượng gấp 1,4 lần khối lượng Mặt Trời, nó không còn giữ được thể nguyên vẹn. Khi điều này xảy ra, phần bên trong của sao lùn trở nên đủ nóng để bắt đầu các phản ứng tổng hợp hạt nhân xảy ra nhanh và sao lùn bị nổ giống như sao mới rực sáng loại Ia.

Các sản phẩm của sự tổng hợp hạt nhân phát ra bức xạ mạnh mà nó tăng lên nhanh chóng một vài tuần đầu tiên sau vụ nổ và chỉ giảm đi qua những tháng tiếp sau. Do đó, có một sự đổ xô đi tìm các sao mới rực sang. Các vụ nổ mãnh liệt của chúng là ngắn. Qua Vũ trụ có thể trông thấy được, có thể tìm thấy khoảng mười sao mới rực sáng loại Ia trong một phút. Nhưng Vũ trụ là khổng lồ. Trong một thiên hà thông thường, chỉ một hoặc hai vụ nổ sao mới rực sáng xảy ra trong một ngàn năm. Tháng 9 năm 2011, chúng ta may mắn quan sát thấy một sao mới rực sáng như thế trong một thiên hà gần Môi lớn (Big Dipper) có thể trông thấy được ngay cả qua một ống nhòm. Nhưng hầu hết các sao mới rực sáng ở xa hơn nhiều và do đó nhìn thấy lờ mờ hơn.
Hai đội tìm kiếm cạnh tranh biết rằng họ cần phải lùng sục bầu trời để tìm kiếm các sao mới rực sáng xa xôi. Phương pháp là so sánh hai ảnh của cùng một phần nhỏ của bầu trời tương ứng với một móng tay cái. Ảnh đầu tiên cần phải được chụp ngay sau khi trăng mới và ảnh thứ hai cần phải chụp ba tuần sau đó trước khi ánh sáng trăng che lấp ánh sáng sao. Khi đó, hai ảnh có thể được so sánh với nhau với hi vọng phát hiện ra một chấm ánh sáng nhỏ là một pixel trong số các chấm sáng khác trên ảnh CCD mà nó có thể là dấu hiệu của một sao mới rực sáng trong một thiên hà ở xa. Chỉ các sao mới rực sáng ở xa hơn một phần ba con đường qua Vũ trụ có thể trông thấy được sử dụng để loại trừ sự méo địa phương.

Các nhà nghiên cứu cần phải giải quyết nhiều vấn đề khác. Các sao mới rực sáng loại Ia không hoàn toàn đáng tin cậy như chúng xuất hiện lúc đầu. Các vụ nổ sáng nhất phai nhạt chậm hơn. Hơn nữa, ánh sáng của các sao mới rực sáng cần phải được lấy ra từ ánh sáng nền của các thiên hà chủ của chúng. Một nhiệm vụ quan trọng khác là cần thu được độ sáng chính xác. Bụi giữa các thiên hà ở giữa chúng ta và các sao làm thay đổi ánh sáng sao. Điều này ảnh hưởng đến các kết quả khi tính độ sáng cực đại của các sao mới rực sáng.

Việc theo đuổi các sao mới rực sáng thách thức không chỉ các giới hạn của khoa học và công nghệ mà còn cả các giới hạn của khoa học logic. Thứ nhất là loại sao mới rực sáng thích hợp cần phải được tìm ra. Thứ hai là sự dịch chuyển về phía đỏ và độ sáng của sao mới rực sáng cần phải đo được. Đường cong cường độ ánh sáng cần phải được phân tích theo thời gian để có thể so sánh nó với các sao mới rực sáng khác cùng loại tại các khoảng cách đã biết. Điều này đòi hỏi một mạng lưới của các nhà khoa học mà họ có thể quyết định nhanh chóng xem một sao đặc biệt có thể là ứng cử viên xứng đáng cho sự quan sát hay không. Họ cần có khả năng hoán đổi giữa các kính thiên văn và có thời gian quan sát tại một kính thiên văn được cung cấp không được chậm trễ. Đó là một qui trình kéo dài hàng tháng. Họ cần phải hành động rất nhanh vì một sao mới rực sáng phai nhạt nhanh chóng. Đôi khi hai đội nghiên cứu cạnh tranh kín đáo đi qua các con đường của nhau.

Các nhà khoa học trong hai đội nghiên cứu đã gặp phải rất nhiều những khó khăn bất ngờ và họ thực sự yên tâm bởi thực tế là họ đã tiến đến cùng các kết quả đáng kinh ngạc là xét về mọi mặt họ đã phát hiện khoảng 50 sao mới rực sáng ở xa mà ánh sáng của chúng dường như yếu hơn so với kì vọng. Điều này ngược với điều mà họ đã hình dung. Nếu sự dãn nở vũ trụ làm mất tốc độ thì các sao mới rực sáng cần xuất hiện sáng chói hơn. Tuy nhiên, các sao mới rực sáng đang phai nhạt dần giống như chúng bị nhúng vào trong các thiên hà của chúng ngày càng nhanh hơn. Một kết luận gây kinh ngạc là sự dãn nở của Vũ trụ không chậm đi mà ngược lại nó đang được gia tốc.

Cái gì đang làm tăng tốc Vũ trụ? Đó là năng lượng tối và là một thách thức đối với vật lý. Năng lượng tối là một điều bí ẩn khó giải đáp. Một vài ý tưởng đã được đề xuất để giải đáp bí ẩn này. Cách đơn giản nhất là lại đưa vào hằng số vũ trụ Einstein mà chính Einstein đã từng loại bỏ nó. Vào thời đó, ông lồng vào hằng số vũ trụ như một lực phản hấp dẫn để tính đến lực hấp dẫn của vật chất và do đó sinh ra một Vũ trụ tĩnh. Bây giờ hằng số vũ trụ xuất hiện để làm cho sự dãn nở của Vũ trụ được tăng tốc.
Hằng số vũ trụ là không đổi theo thời gian. Vì thế, năng lượng tối trở nên trội khi vật chất và do đó lực hấp dẫn của nó yếu đi do sự dãn nở của Vũ trụ qua hàng tỷ năm. Theo các nhà khoa học, điều đó lý giải tại sao hằng số vũ trụ tham gia muộn như vậy trong lịch sử của Vũ trụ chỉ năm tới sáu tỷ năm trước đây. Tại khoảng thời gian đó, lực hấp dẫn của vật chất đủ yếu trong mối liên hệ với hằng số vũ trụ. Cho đến khi đó, sự dãn nở của Vũ trụ bị chậm lại.

Hằng số vũ trụ có thể có nguồn gốc của nó trong chân không. Đó là một không gian trống mà theo vật lý lượng tử nó không bao giờ hoàn toàn trống. Để thay thế, chân không là một xúp lượng tử sủi bọt mà ở đó các hạt ảo của vật chất và phản vật chất bất ngờ sinh ra và mất đi và tạo ra năng lượng. Tuy nhiên, đánh giá đơn giản nhất đối với lượng năng lượng tối không tương ứng chút nào với lượng năng lượng đo được trong không gian mà nó lớn hơn khoảng 10120 lần (1 kèm theo 120 số không). Điều này tạo ra một khoảng cách cực lớn và còn chưa giải thích được giữa kết quả lý thuyết và kết quả quan sát. Để thấy sự chênh lệch lớn như thế nào người ta biết rằng chỉ có không quá 1020 (1 kèm theo 20 số không) hạt cát trên tất cả các bờ biển của thế giới.

Rốt cuộc, năng lượng tối có thể không phải là hằng số. Có lẽ nó thay đổi theo thời gian. Có lẽ một trường lực chưa biết chỉ thỉnh thoảng sinh ra năng lượng tối. Trong vật lý, có nhiều trường lực như thế mà chúng có tên tập thể là “quintessence” sau tên Hy Lạp cho nguyên tố thứ năm. Quintessence có thể tăng tốc Vũ trụ nhưng chỉ đôi khi. Điều đó làm cho nó không thể nhìn thấy trước số phận của Vũ trụ.

Năng lượng tối ăn khớp rất tốt với bí ẩn vũ trụ mà các nhà vật lý và nhà thiên văn tìm cách giải đáp trong một thời gian dài. Theo sự chấp thuận hiện nay, khoảng ba phần tư Vũ trụ bao gồm năng lượng tối. Phần còn lại là vật chất. Nhưng vật chất thông thường – chất liệu tạo ra các thiên hà, sao, con người và hoa – chỉ chiếm năm phần trăm Vũ trụ. Vật chất còn lại được gọi là vật chất tối và bị chúng ta che khuất đến một mức nào đó. Vật chất tối cho đến bây giờ là một bí ẩn khác trong một vũ trụ phần lớn chưa biết của chúng ta. Giống như năng lượng tối, vật chất tối là vật chất không trông thấy được. Do đó, ta chỉ biết đến năng lượng tối và vật chất tối nhờ các ảnh hưởng của chúng trong đó một cái thì đẩy còn cái kia thì hút. Chúng chỉ có chung tính từ “tối”.

Những tìm kiếm của những người đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2011 giúp lần đầu tiên trưng bày một Vũ trụ mà 95% của nó chưa được khoa học biết đến.

PGS. TS Nguyễn Quang Học
Nguồn : http://phys.hnue.edu.vn
 
Nobel Vật lí 2010

Giải Nobel Vật lý năm 2010 được trao cho Andre K. Geim và Konstantin S. Novoselov tại Đại học Manchester, Anh “do những thực nghiệm có tính đột phá liên quan đến vật liệu grafen (graphene) hai chiều”.

Giải Nobel Vật lý năm 2010 nhằm tôn vinh hai nhà khoa học gốc Nga có những đóng góp quyết định cho sự phát triển của grafen. Họ đã thành công trong việc chế tạo, cô lập, nhận dạng và xác định đặc tính của grafen.

A. K. Geim sinh năm 1958 tại Sochi, Nga. Ông bảo vệ luận án tiến sĩ Vật lí năm 1987 tại Viện Vật lí chất rắn, Viện Hàn lâm Khoa học Nga ở Chernogolovka, Nga. Ông là giám đốc Trung tâm Khoa học trung gian và Công nghệ nanô, giáo sư vật lí và giáo sư Hội Hoàng gia London tại Trường Vật lí và Thiên văn của Đại học Manchester. Hiện nay, ông là công dân Đức.

K. S. Novoselov sinh năm 1974 tại Nizhny Tagil, Nga. Ông bảo vệ luận án tiến sĩ Vật lí năm 2004 tại Đại học Nijmegen, Hà Lan. Ông là giáo sư và hội viên nghiên cứu Hội Hoàng gia London tại Trường Vật lí và Thiên văn của Đại học Manchester. Hiện nay, ông là công dân của cả Anh và Nga.

Novoselov bắt đầu làm việc cùng với Geim từ khi là nghiên cứu sinh tại Hà Lan. Sau đó, Novoselov theo Geim tới nước Anh. Cả hai học tập và bắt đầu sự nghiệp của họ như các nhà vật lí ở nước Nga. Hiện nay họ đều là giáo sư ở Đại học Manchester.

Geim và Novoselov đều thích vui đùa. Với các khối xây dựng mà họ được tùy ý sử dụng, họ cố gắng phát hiện ra một cái gì mới đôi khi chỉ bằng cách cho phép đầu óc của mình lang thang không mục đích. Người ta bao giờ cũng học được một cái gì đó trong quá trình như thế và ai biết được bạn thậm chí có thể “trúng quả”. Đó là trường hợp 7 năm trước đây, Geim và Novoselov phát hiện ra một băng dính cực tốt từ cảm hứng về khả năng của con thằn lằn Gecko có thể dính chặt vào ngay cả các bề mặt phẳng nhất. Trước đó, năm 1997 Geim tìm cách làm cho một con ếch bay lên trong từ trường. Đó là một cách khéo léo để minh họa các nguyên lí vật lí. Con ếch bay lên này đã đem lại cho Geim Giải Nobel Ig năm 2000 “vì làm cho con người trước tiên là cười và sau đó là suy nghĩ”.

Một vảy mỏng của cacbon thông thường với bề dày chỉ một nguyên tử là đề tài nghiên cứu liên quan đến Giải Nobel Vật lí năm 2010. A. K. Geim và K. S. Novoselov đã chứng tỏ rằng rằng cacbon ở dạng phẳng như vậy có các tính chất khác thường bắt nguồn từ thế giới đặc biệt của vật lí lượng tử.

Các vật liệu tinh thể hai chiều gần đây được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Vật liệu đầu tiên trong trong lớp vật liệu mới này là grafen. Đó là một lớp nguyên tử cacbon có bề dày một nguyên tử. Grafen có một số tính chất đặc biệt và do đó, nó được đặc biệt chú ý cả về nghiên cứu cơ bản và các ứng dụng tương lai. Các tính chất điện tử của vật liệu hai chiều này dẫn tới chẳng hạn như hiệu ứng Hall lượng tử bất thường. Nó là một vật dẫn trong suốt có bề dày chỉ cỡ một nguyên tử. Nó cũng gây ra những tương tự với vật lý hạt cơ bản trong đó bao hàm một loại chui hầm đặc biệt gọi là chui hầm Klein. Hơn nữa, grafen có một số tính chất cơ và tính chất điện kì lạ.

Grafen là một dạng của cacbon. Đó là một vật liệu hoàn toàn mới. Grafen không chỉ là vật liệu mỏng nhất mà còn là vật liệu cứng nhất từ trước đến nay. Nó cứng hơn cả thép nhưng lại dễ uốn. Grafen dẫn điện tốt như đồng và dẫn nhiệt tốt hơn tất cả các vật liệu khác mà con người biết đến. Grafen gần như hoàn toàn trong suốt nhưng lại dày đặc đến mức ngay cả nguyên tử khí nhỏ nhất là hêli cũng không thể đi qua nó.

Do đó, Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo về grafen công bố trên tạp chí Science vào tháng 10 năm 2004 đã gây ra chấn động lớn trên khắp thế giới. Một mặt, các tính chất kì lạ của grafen cho phép các nhà khoa học kiểm tra các nền tảng lí thuyết của vật lí. Mặt khác, grafen có tiềm năng rất lớn về các ứng dụng thực tế trong đó bao gồm việc tạo ra các vật liệu mới và việc chế tạo thiết bị điện tử mới.

Cacbon chưa chắc là nguyên tố hấp dẫn nhất trong Bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev. Nó là cơ sở của ADN và toàn bộ sự sống trên Trái Đất. Cacbon có thể tồn tại ở một số dạng khác nhau. Dạng phổ biến nhất của cacbon là grafit. Grafit bao gồm các lá cacbon với cấu trúc lục giác xếp chồng lên nhau. Kim cương là dạng siêu bền của cacbon tồn tại ở áp suất cao. Một dạng mới của phân tử cacbon có tên gọi là fullerene (Giải Nobel Hóa học 1996). Dạng phổ biến nhất của fulleren là C60. Dạng này chứa 60 nguyên tử cacbon và trông giống như một quả bóng đá được tạo thành từ 20 hình lục giác và 12 hình ngũ giác mà chúng cho phép uốn cong mặt phẳng thành mặt cầu. Một dạng chuẩn một chiều có liên quan của cacbon là các ống nanô cacbon được biết đến từ một vài thập kỷ trước và các ống nanô có tường có bề dày một nguyên tử bao quanh được biết đến từ năm 1993. Các ống nanô này có thể được tạo thành từ các lá grafen. Các lá này được cuộn lại để tạo ra các ống và các đầu của chúng là các nửa mặt cầu theo cùng một cách như các fulleren. Các tính chất cơ học và điện tử của các ống nanô kim loại với tường có bề dày một nguyên tử bao quanh có nhiều sự tương tự như grafen.

Grafit bao gồm các lá cacbon có bề dày một nguyên tử hình lục giác được xếp chồng lên nhau và các nhà nghiên cứu cho rằng không thể chế tạo một lá có bề dày một nguyên tử như vậy ở dạng cô lập. Do đó, điều gây ngạc nhiên cho cộng đồng vật lý là vào năm 2004, Geim, Novoselov và các cộng sự chỉ ra rằng một lớp có bề dày một nguyên tử như vậy có thể bị cô lập và nó bền vững. Lớp cacbon có bề dày một nguyên tử là cái chúng ta gọi là grafen.

Các cấu trúc giống grafen cũng đã được biết đến từ những năm 1960 nhưng có những khó khăn thực nghiệm trong việc cô lập các lớp có bề dày một nguyên tử và người ta nghi ngờ rằng điều này có thể thực hiện được trên thực tế.

Không dễ dàng thu được grafen – một vật liệu kì diệu có nguồn gốc từ grafit (than chì). Grafen có thể có trong các bút chì. Tuy nhiên, chúng ta thường không nhìn thấy những cái rõ ràng và đơn giản nhất.

Grafen bao gồm các nguyên tử cacbon kết hợp với nhau thành một mạng phẳng giống như một hình rỗ tổ ong nhưng chỉ có bề dày một nguyên tử. Một milimet grafit thực tế gồm ba triệu lớp grafen chồng lên nhau. Các lớp liên kết yếu với nhau và do đó có thể dễ dàng bị xé rách và tách ra. Bất kì ai từng sử dụng bút chì thông thường đều có thể đã tạo ra các cấu trúc giống grafen mà không biết nó. Một bút chì chứa grafit và khi nó dịch chuyển trên một mảnh giấy, grafit bị xẻ thành các lớp mỏng mà chúng kết thúc trên giấy và tạo thành văn bản hoặc bức vẽ mà chúng ta cố gắng tạo ra. Một phần nhỏ của các lớp mỏng này sẽ chỉ chứa một vài lớp hoặc thậm chí là một lớp có bề dày một nguyên tử của grafit, nghĩa là grafen.

Như vậy, khó khăn không phải là chế tạo ra các cấu trúc grafen mà là cô lập các lá riêng biệt đủ lớn nhằm nhận dạng và xác định các đặc tính của grafen và nhằm làm sáng tỏ các tính chất hai chiều duy nhất của nó. Đó là điều mà Geim, Novoselov và các cộng sự của họ đã thực hiện thành công.

Grafen là lớp nguyên tử cacbon có bề dày một nguyên tử được xếp chặt trong một mạng lục giác (hình rỗ tổ ong) với khoảng cách giữa hai nguyên tử cacbon là 0,142 nm. Nó là một vật liệu tinh thể hai chiều thực sự đầu tiên và nó đại diện cho lớp vật liệu hai chiều trong đó bao gồm chẳng hạn như các lớp có bề dày một nguyên tử của nitrua bo (BN) và đisunfua molipđen (MoS2) được chế tạo sau năm 2004.

Cấu trúc điện tử của grafen khác với các vật liệu ba chiều thông thường. Mặt Fermi của grafen được đặc trưng bởi sáu hình nón kép. Trong grafen thuần túy (không pha tạp), mức Fermi nằm tại các điểm nối của các hình nón này. Do mật độ trạng thái của vật liệu bằng không ở điểm đó, độ dẫn điện của grafen thuần túy khá thấp và có bậc của lượng tử độ dẫn s~ e2/ h trong đó h là hằng số Planck và giá trị chính xác của hệ số tỷ lệ còn đang tranh luận. Tuy nhiên, có thể thay đổi mức Fermi bằng điện trường sao cho vật liệu trở thành vật liệu n pha tạp (với các điện tử) hoặc p pha tạp (với các lỗ trống) phụ thuộc vào chiều phân cực của trường tác dụng. Grafen cũng có thể được pha tạp bằng cách hấp phụ chẳng hạn như nước trên bề mặt của nó. Độ dẫn điện của grafen pha tạp là khá cao và ở nhiệt độ phòng thậm chí nó có thể cao hơn độ dẫn điện của đồng.

Gần sát mức Fermi, các hệ thức tán sắc của các điện tử và các lỗ trống là tuyến tính. Do các khối lượng hiệu dụng được cho bởi độ cong của các vùng năng lượng, điều này tương ứng với khối lượng hiệu dụng không. Phương trình mô tả các kích thích trong grafen về hình thức giống như phương trình Dirac đối với các fecmion không có khối lượng chuyển động với vận tốc không đổi. Các điểm nối của các hình nón do đó được gọi là các điểm Dirac. Điều này dẫn đến các tương tự lý thú giữa grafen và vật lí hạt cơ bản. Những tương tự này đúng đối với các năng lượng lên tới gần 1eV và khi đó các hệ thức tán sắc bắt đầu trở thành phi tuyến. Một kết quả của hệ thức tán sắc đặc biệt này là hiệu ứng Hall lượng tử trở thành bất thường trong grafen.

Grafen thực tế là trong suốt. Trong vùng quang, nó chỉ hấp thụ 2,3% ánh sáng. Thực ra số này được cho bởi pa, trong đó alà hằng số cấu trúc tinh tế xác định độ lớn của lực điện từ. Ngược với các hệ hai chiều dựa trên các chất bán dấn ở nhiệt độ thấp, grafen giữ các tính chất hai chiều của nó ở nhiệt độ phòng. Grafen cũng có một số tính chất lý thú khác giống như các ống nanô cacbon như cứng hơn thép, dễ kéo giãn và uốn cong, dẫn nhiệt tốt hơn cả bạc.

Grafen cũng đã được nghiên cứu về mặt lý thuyết bởi P. R. Wallace năm 1947 như một ví dụ sách giáo khoa đối với các tính toán trong vật lí chất rắn. Ông đã dự đoán cấu trúc điện tử và lưu ý hệ thức tán sắc tuyến tính. Phương trình sóng đối với các kích thích đã được đưa ra bởi J. W. McClure năm 1956 và tính tương tự với phương trình Dirac đã được thảo luận bởi G. W. Semenoff năm 1984.

Trước năm 2004, các nhà nghiên cứu cho rằng không thể cô lập của các lá grafen bền vững. Một điều làm cho các nhà vật lí hết sức ngạc nhiên là nhóm của Geim, Novoselov cùng các cộng sự tại Đại học Manchester và Viện Công nghệ vi điện tử ở Chernogolovka (Nga) đã làm được điều này một cách chính xác. Họ đã công bố các kết quả của họ trên tạp chí Science vào tháng 10 năm 2004. Trong Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo này, họ đã mô tả việc chế tạo, nhận dạng và biểu thị đặc trưng của grafen. Họ đã sử dụng một phương pháp tróc vảy cơ học đơn giản nhưng có hiệu quả để lấy các lớp grafit mỏng ra khỏi một tinh thể grafit với băng Ê cốt và sau đó gắn các lớp này lên chất nền silic. Phương pháp này do nhóm của R. Ruoff đề xuất đầu tiên nhưng nhóm này không thể tạo ra bất kì đơn lớp nào. Nhóm Manchester đã thành công bằng cách sử dụng một phương pháp quang và nhờ đó có thể tạo ra các mảnh nhỏ chỉ gồm một vài lớp. Trong một số trường hợp, các vảy này được tạo thành chỉ từ lớp có bề dày một nguyên tử, nghĩa là tạo ra được grafen. Hơn nữa, họ tìm cách khuôn grafen vào trong một thanh Hall và nối các điện cực với nó.

Theo cách này, họ có thể đo được điện trở dọc và điện trở Hall. Một số liệu quan trọng là hiệu ứng trường lưỡng cực trong đó điện trở đo được là hàm của điện trường theo hướng vuông góc với mẫu. Điện trở suất của lá có một cực đại và giảm xuống ở cả hai phía của cực đại. Điều này chỉ ra sự pha tạp tăng lên của các điện tử về phía bên phải và các lỗ trống về phía bên trái của cực đại. Lưu ý rằng điện trở suất cực đại của lá cỡ 9 kWmà nó có bậc độ lớn của lượng tử điện trở.

Một khi công nghệ để chế tạo, nhận dạng và gắn các cực vào các lớp grafen đã được thiết lập, cả nhóm Manchester và và các nhóm khác nhanh chóng tạo ra nhiều thực nghiệm mới. Chúng bao gồm các nghiên cứu hiệu ứng Hall lượng tử bất thường và việc chế tạo các vật liệu tinh thể hai chiều khác như các các đơn lớp của BN.

Ngoài phương pháp tróc vảy, các cách nuôi các màng cacbon rất mỏng cũng đã được nghiên cứu đặc biệt bởi nhóm của W. A. De Heer tại Georgia Tech. Họ xây dựng một phương pháp để “nung cho tróc” silic ra khỏi bề mặt cacbua silic (SiC) và để lại một lớp cacbon mỏng. Điều này đã được thực hiện bằng cách nung nóng tinh thể SiC tới gần 1300oC. Một số nhóm trước đây đã sử dụng phương pháp này nhưng các nghiên cứu này tập trung vào khoa học bề mặt và không có các phép đo vận chuyển. Tháng 12 năm 2004 chỉ hai tháng sau khi công bố Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo của Novoselov và cộng sự, nhóm của de Heer công bố Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo đầu tiên của họ về các phép đo vận chuyển trên các màng cacbon mỏng. Họ đã giới thiệu từ trở và cả một hiệu ứng điện trường yếu. De Heer và các cộng sự cũng giữ một bầng sáng chế về cách chế tạo các thiết bị điện tử từ các lớp mỏng của cacbon.

Nhóm của P. Kim tại Đại học Columbia nghiên cứu một cách tiếp cận khác để chế tạo các lớp cacbon mỏng. Họ gắn một tinh thể grafit với đầu của một kính hiển vi lực nguyên tử và kéo nó dọc theo một bề mặt. Bằng cách đó, họ đã chế tạo các lớp grafit mỏng xuống tới gần 10 lớp.

Như đề cập ở trên, hệ thức tán sắc phi tuyến là nguyên nhân của hiệu ứng Hall lượng tử bất thường. Điều này đã được chứng minh một cách độc lập bởi hai nhóm là nhóm Manchester và nhóm của P. Kim. Cả hai nhóm hiện nay đều sử dụng phương pháp tróc vảy. Hai Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo được công bố trong cùng một số của tạp chí Nature vào tháng 11 năm 2005.

Từ năm 2005 sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu này thật sự bùng nổ. Số Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo liên quan đến grafen và các tính chất của nó ngày càng tăng. Các lớp đôi của grafen có những tính chất khác với các lớp đơn và được nghiên cứu một cách hoàn chỉnh. Các nhà nghiên cứu đã tiến hành các nghiên cứu hiệu ứng Hall lượng tử phân số trong grafen ở các từ trường cao. Các nghiên cứu tính chất cơ của grafen chứng tỏ rằng grafen cực kỳ cứng và cứng hơn 100 lần so với thép cứng nhất. Một phát hiện quan trọng khác là sự hấp thụ ánh sang trong grafen lien quan tới hằng số cấu trúc tinh tế như đã đề cập ở trên.

Cũng có một số Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo quan trọng mô tả những tương tự với vật lí hạt cơ bản trên cơ sở phương trình Dirac. Sự tương tự hình thức giữa các kích thích trong graffen và các fecmion Dirac hai chiều cho phép kiểm tra hiệu ứng chui hầm Klein mà nó được phát biểu bởi nhà vật lí Thụy Điển Oskar Klein vào năm 1929. Hiện tượng này dự đoán rằng một hàng rào chui hầm có thể trở nên hoàn toàn trong suốt đối với sự tới vuông góc của các hạt không có khối lượng. Trong các điều kiện nào đó, sự trong suốt cũng có thể dao động như một hàm của năng lượng. Điều này có thể được kiểm tra trong grafen. Đó là ý tưởng của Katsnelson, Geim và Novoselov năm 2006 và ý tưởng này đã được Young và Kim chứng minh năm 2009.

Geim và Novoselov dùng băng dính để xé rách các vảy mỏng của một mẩu grafit lớn hơn theo một cách có phương pháp hơn. Lúc đầu họ có các vảy bao gồm nhiều lớp grafen và khi họ lặp lại việc dùng băng dính để xé rách vảy mười đến hai mươi lần thì các vảy ngày càng mỏng đi. Bước tiếp theo là tìm các mảnh nhỏ grafen trong số các lớp grafit dày hơn và các mẩu cacbon khác. Đó là khi họ có một ý tưởng tuyệt vời thứ hai là để có thể nhìn thấy các kết quả của việc làm tỉ mỉ của họ, các nhà khoa học ở Manchester quyết định gắn các vảy vào một tấm silic bị ôxi hóa. Tấm silic này là vật liệu thông thường trong công nghiệp bán dẫn.

Khi tấm silic có gắn các vảy được đặt trong một kính hiển vi thông thường, Geim và Novoselov nhìn thấy một cầu vồng nhiều màu sắc giống như cái được nhìn thấy khi dầu loang ra trên nước. Khi đó, họ xác định được số các lớp grafen ở trong các vảy. Bề dày của lớp điôxit silic lót bên dưới là yếu tố quyết định để phát hiện ra grafen. Dưới kính hiển vi, grafen được quan sát thấy như một vật liệu tinh thể hai chiều thực sự tồn tại ở nhiệt độ phòng. Grafen là một mạng đều lý tưởng của cacbon theo hai chiều là chiều rộng và chiều dài. Ô mạng cơ sở của hệ này gồm sáu nguyên tử cacbon liên kết hóa học với nhau. Grafen cũng như một số dạng cacbon khác đã biết bao gồm hàng tỷ nguyên tử cacbon liên kết với nhau theo một hệ lục giác.

Dĩ nhiên là luôn luôn tồn tại grafen và điều quan trọng là làm thế nào để phát hiện nó. Tương tự, các dạng cacbon khác có mặt trong tự nhiên xuất hiện trước mắt các nhà khoa học khi họ quan sát chúng theo một cách khác. Đầu tiên là các ống nanô và sau đó là các quả bóng rỗng của cacbon gọi là fulleren. Grafit là một vật liệu cơ bản có mặt trong tự nhiên. Khi “bị tháo rời”, các lá grafit trờ thành grafen. Một lớp grafen cuộn lại tạo thành một ống nanô cacbon, còn khi gấp lại nó trở thành một quả bóng nhỏ gọi là fulleren.

Nhiều nhà khoa học nghĩ rằng không thể cô lập các vật liệu mỏng như thế. Các vật liệu này bị gấp nếp ở nhiệt độ phòng hoặc thậm chí bị biến mất. Ngoài ra, một số nhà nghiên cứu đã thất bại trong các cố gắng chế tạo ra grafen. Trước đây, người ta có thể thu được các màng với bề dày nhỏ hơn 100 nguyên tử. Quả thực, một số lớp thậm chí mỏng đến mức chúng nhìn suốt qua được.

Một cách thu được grafen từ grafit là đưa các chất hóa học vào giữa các lớp nguyên tử để làm yếu lien kết giữa chúng và sau đó tách các lớp ra. Một cách khác đơn giản là cạo cho tróc ra các lớp grafit. Nó cũng đã được thử thành công để “nung cho tróc” silic ra khỏi các tinh thể cacbua silic. Ở các nhiệt độ rất cao, các lớp cacbon mỏng bị bỏ lại. Các kỹ thuật nuôi epitaxi khác nhau nhằm chế tạo các vật liệu bán dẫn khác nhau là các kỹ thuật có triển vọng nhất để chế tạo grafen dùng trong công nghiệp điện tử. Các cuộn lá grafen rộng 70 cm là thiết bị grafen lớn nhất từ trước đến nay đã được chế tạo.

Geim và Novoselov chỉ có thể thu được các vảy với kích thước micrômét của vật liệu mới. Ngoài kích thước nhỏ, bây giờ họ có thể bắt đầu nghiên cứu hai đặc điểm đáng chú ý nhất của grafen mà chúng có ảnh hưởng đến các tính chất điện của grafen.

Đặc điểm thứ nhất là thành phần gần như lý tưởng của grafen. Trật tự gần như hoàn chỉnh là do liên kết mạnh của các nguyên tử cacbon. Đồng thời các liên kết đủ mềm dẻo để cho phép lưới bị kéo căng lên tới 20% kích thước ban đầu của nó. Mạng cũng cho phép các điện tử đi được các khoảng cách lớn trong grafen mà không gây nhiễu. Trong các vật dẫn thông thường, các điện tử thường nẩy như bi trong máy trò chơi lăn bi ghim. Sự nảy này làm yếu hiệu suất của vật dẫn.

Đặc điểm có một không hai khác của grafen là ở chỗ các điện tử trong grafen có dáng điệu giống như các hạt ánh sáng. Đó là các photon không có khối lượng mà trong chân không chúng không ngừng chuyển động về phía trước với tốc độ 300 triệu mét trên giây. Tương tự, các điện tử trong grafen có dáng điệu như thể chúng không có khối lượng và chuyển động về phía trước với một tốc độ không đổi là một triệu mét trên giây. Điều này mở ra khả nâng nghiên cứu các hiện tượng nào đó dễ dàng hơn trên một phạm vi nhỏ hơn, nghĩa là không cần sử dụng một máy gia tốc hạt lớn.

Grafen cũng cho phép các nhà khoa học kiểm tra một số hiệu ứng lượng tử mà từ trước đến nay chúng chỉ được thảo luận trên phương diện lý thuyết. Một hiện tượng như thế là một biến thể của hiệu ứng chui hầm Klein. Hiệu ứng chui hầm trong vật lí lượng tử mô tả cách thức để các hạt đôi khi có thể đi qua một hàng rào mà bình thường chúng không đi qua được. Hàng rào càng lớn thì cơ hội của các hạt lượng tử đi qua hàng rào càng nhỏ. Tuy nhiên, điều này không áp dụng được cho các điện tử trong grafen. Trong một số trường hợp, các điện tử trong grafen chuyển động về phía trước như thể không có hàng rào.

Các nhà nghiên cứu rất quan tâm đến các ứng dụng thực tế của grafen. Từ trước đến nay, hầu hết các ứng dụng này chỉ nằm trong mơ ước của chúng ta. Geim và Novoselov là những người đàu tiên kiểm tra nhiều ứng dụng thực tế của grafen.

Grafen có một số tính chất kì lạ như đã đề cập ở trên và những tính chất này làm cho grafen được quan tâm đối với một số ứng dụng khác nhau. Nó là một vật dẫn mỏng nhất, rất cứng chắc về mặt cơ học, trong suốt và dễ uốn. Độ dẫn của nó có thể thay đổi trong một phạm vi rộng bằng sự pha tạp hóa học hoặc điện trường. Độ linh động của grafen là rất cao và điều đó làm cho grafen được đặc biệt quan tâm đối với các ứng dụng điện tử cao tần. Gần đây, người ta đã chế tạo các lá grafen lớn với bề rộng 70 cm bằng các phương pháp gần như công nghiệp.

Khả năng dẫn của grafen thu hút sự chú ý đặc biệt của các nhà khoa học và công nghệ. Trong tương lai, các tranzito làm bằng grafen được chế tạo nhanh hơn rất nhiều so với các tranzito làm bằng silic hiện nay. Để các vi mạch máy tính trở nên nhanh hơn và có hiệu quả năng lượng cao hơn, chúng cần phải nhỏ hơn. Silic tạo ra một giới hạn kích thước mà ở đó vật liệu không còn chức nâng. Giới hạn đối với grafen thậm chí còn thấp hơn và do đó có thể lắp đặt nhiều linh kiện hơn trên vi mạch nếu các linh kiện được chế tạo từ grafen.

Một sự kiện rất quan trọng đã xảy ra một vài năm trước đây khi một linh kiện rất quan trọng là một tranzito grafen được giới thiệu. Tranzito này cũng nhanh như tranzito silic. Có thể chúng ta sắp thu nhỏ các thiết bị điện tử và điều đó dẫn đến các máy tính trở nên có hiệu quả hơn trong tương lai. Cho đến bây giờ, chưa có các máy tính grafen nhưng trong tương lai, các màn hình máy tính grafen trong suốt mỏng như tờ giấy có thể được cuộn lại và cho vào trong túi xách tay sẽ xuất hiện trên thị trường.

Do grafen thực tế là trong suốt (lên tới gần 98%) đồng thời có khả năng dẫn điện, nó thích hợp cho việc chế tạo các màn chắn tiếp xúc, bảng ánh sáng và pin mặt trời mà ở đó nó có thể thay thế inđi - thiếc - ô xit (ITO) dễ gãy vỡ và tốn kém. Các vật dẫn điện tử cũng có thể tạo ra các chất dẻo nếu chỉ cần 1% grafen được trộn vào trong chúng. Cũng vậy, bằng cách trộn vào chỉ một phần nhỏ trong một phần nghìn grafen, nhiệt trở của của các chất dẻo tăng 30oC trong lúc đồng thời làm cho các chất dẻo cứng chắc hơn về mặt cơ học. Tính đàn hồi này có thể được sử dụng trong các vật liệu siêu cứng mới mà chúng cũng mỏng, co dãn và nhẹ. Trong tương lai, các vệ tinh, máy bay và xe ôtô có thể được chế tạo từ các vật liệu phức hợp mới. Các loại vật liệu phức hợp mới dựa trên grafen có những tính chất ưu việt như độ cứng lớn và trọng lượng nhỏ.

Cấu trúc lí tưởng của grafen cũng làm cho nó thích hợp cho việc chế tạo các cảm biến cực nhạy. Các cảm biến này có thể ghi nhận thậm chí các mức ô nhiễm nhỏ nhất. Thậm chí có thể phát hiện ra một đơn phân tử bị bề mặt grafen hấp thụ.

Hiệu ứng Hall lượng tử trong grafen cũng có thể đóng góp vào một chuẩn điện trở thậm chí chính xác hơn trong hệ đơn vị đo lường.

Sự phát triển của grafen mở ra những khả năng mới cho khoa học và công nghệ. Grafen là vật liệu tinh thể hai chiều đầu tiên và nó có những tính chất độc nhất vô nhị. Điều đó làm cho grafen thu hút sự quan tâm đặc biệt cả về nghiên cứu cơ bản và các ứng dụng tương lai. Phát minh quan trọng đã được thực hiện bởi Geim, Novoselov và các cộng sự của họ. Một Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo năm 2004 của họ đã châm lửa cho sự phát triển.


PGS. TS. Nguyễn Quang Học
Nguồn phys.hnue.edu.vn
 
Last edited:
Nobel Vật lí 2009

Giải Nobel Vật lý năm 2009 được trao cho Charles Kuen Kao tại Các phòng thí nghiệm viễn thông tiêu chuẩn ở Harlow (Anh) và Đại học Hong Kong Trung Quốc ở Hong Kong (Trung Quốc) “do các thành tựu có tính đột phá liên quan đến sự truyền ánh sáng trong các sợi trong thông tin quang” cùng với Willard Stirling Boyle và George Elwood Smith tại Các phòng thí nghiệm Bell (Bell Labs), Murray Hill, New Jersey (Mỹ) “do phát minh ra một mạch bán dẫn tạo ảnh gọi là bộ cảm biến CCD”.

Giải Nobel Vật lý năm 2009 tôn vinh hai thành tựu khoa học giúp cho việc định dạng nền tảng của các xã hội nối mạng hiện nay. Các thành tựu này tạo ra nhiều đổi mới thực tế trong cuộc sống hàng ngày và cung cấp các công cụ mới cho nghiên cứu khoa học.

Khi Giải Nobel Vật lý được thông báo ở Stockholm, một phần lớn thế giới nhận được thông báo này gần như ngay lập tức. Với vận tốc gần như là vận tốc ánh sáng, nghĩa là với vận tốc lớn nhất, thông báo này được lan truyền khắp thế giới. Văn bản, hình ảnh tĩnh và động, lời nói được truyền đi theo các sợi quang và qua không gian và được tiếp nhận ngay lập tức trong các thiết bị nhỏ và thuận lợi. Sợi quang là một điều kiện trước hết cho sự phát triển cực nhanh này trong lĩnh vực thông tin liên lạc – một sự phát triển mà Kao đã dự đoán từ hơn 40 năm trước. Năm 1966, Kao có một phát minh dẫn đến một sự đột phá trong quang học sợi. Ông đã tính toán cẩn thận về việc làm thế nào để truyền ánh sáng đi xa thông qua các sợi thủy tinh quang. Với một sợi thủy tinh tinh khiết nhất ông có thể truyền các tín hiệu ánh sáng qua một khoảng cách là 100 kilômét so với khoảng cách chỉ là 20 mét đối với các sợi có thể có trong những năm 1960. Điều say mê của Kao gây cảm hứng cho các nhà nghiên cứu khác nhằm chia sẻ tầm nhìn của ông về tiềm năng tương lai của quang học sợi. Sợi cực kỳ tinh khiết đầu tiên đã được chế tạo thành công năm 1970 ngay bốn năm sau đó.

Các sợi quang hiện nay tạo ra hệ tuần hoàn nhằm nuôi dưỡng xã hội thông tin của chúng ta. Các sợi thủy tinh tổn thất thấp này tạo điều kiện thuận lợi cho thông tin dải rộng toàn cầu như mạng internet. Ánh sáng lan truyền trong các sợi thủy tinh mỏng và nó mang hầu như toàn bộ khối lưu thông điện thoại và dữ liệu theo mỗi một hướng. Văn bản, âm nhạc, hình ảnh và viđêô có thể được lan truyền xung quanh Trái Đất trong chốc lát.

Nếu ta gỡ toàn bộ các sợi thủy tinh bao quanh Trái Đất, ta sẽ có một sợi đơn dài 1 tỷ kilômét và nó đủ để bao lấy Trái Đất hơn 25 000 lần. Chiều dài này đang tăng lên hàng nghìn kilômét mỗi giờ.

Một sự chia sẻ lớn của khối lưu thông do các ảnh số cấu thành và nó tạo nên phần thứ hai của Giải Nobel Vật lý năm 2009. Một vài năm sau phát minh của Kao, Boyle và Smith đã làm thay đổi cơ bản các điều kiện đối với lĩnh vực kỹ thuật chụp ảnh vì sự cần thiết của phim ảnh đối với máy chụp ảnh không còn lâu nữa do các hình ảnh có thể bị bắt giữ về phương diện điện tử với một bộ cảm biến ảnh. Mắt điện tử CCD trở thành công nghệ đầu tiên thực sự thành công cho việc chuyển số các hình ảnh. Nó mở ra con đường dẫn tới một dòng chảy hàng ngày của các hình ảnh làm đầy các cáp sợi quang. Chỉ có sợi quang có khả năng chuyển các lượng dữ liệu lớn do công nghệ bộ cảm biến ảnh điện tử sinh ra.

Năm 1969 Boyle và Smith đã phát hiện công nghệ tạo ảnh thành công đầu tiên khi sử dụng một bộ cảm biến số gọi là thiết bị liên kết điện tích CCD (Charge-Coupled Device). Công nghệ CCD sử dụng hiệu ứng quang điện. Albert Einstein đã đưa ra lý thuyết về hiệu ứng này và nhờ đó ông được trao tặng Giải Nobel Vật lý năm 1921. Do hiệu ứng quang điện, ánh sáng được biến đổi thành các tín hiệu điện. Thách thức khi thiết kế một bộ cảm biến ảnh là cần thu thập và đọc các tín hiệu trong một số lớn các điểm ảnh gọi là các pixel trong một thời gian ngắn.

CCD là mắt điện tử của máy chụp ảnh số. Nó tạo ra một cuộc cách mạng trong kỹ thuật chụp ảnh khi ánh sáng bây giờ có thể bị bắt giữ về phương diện điện tử thay vì ở trên phim. Dạng số tạo điều kiện thuận lợi cho việc xử lý và phân bố các ảnh này. Công nghệ CCD cũng đã được sử dụng trong nhiều ứng dụng y học chẳng hạn như tạo ảnh nội tạng của cơ thể người đối với cả chẩn đoán và vi phẫu.

Kỹ thuật chụp ảnh số trở thành một công cụ không thể thay thế trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu. CCD cung cấp những khả năng mới nhằm nhìn thấy những vật không thể nhìn thấy trước đây. Nó đem lại cho chúng ta những hình ảnh trong suốt về những nơi xa xôi trong vũ trụ cũng như ở các độ sâu của các đại dương.

Nhờ ánh sáng Mặt Trời, chúng ta có thể nhìn thấy thế giới. Tuy nhiên, cần một thời gian dài trước khi con người đòi hỏi các kỹ năng điều khiển ánh sáng và hướng nó vào trong một ống dẫn sóng. Bằng cách đó, các thông điệp được mã hóa có thể được truyền đồng thời tới nhiều người. Sự phát triển này đòi hỏi nhiều phát minh lớn và nhỏ mà chúng tạo thành nền tảng đối với xã hội thông tin hiện đại. Sợi quang đòi hỏi công nghệ thủy tinh hiện đại để phát triển và sản xuất hàng loạt. Cần phải có một nguồn ánh sáng đáng tin cậy và điều này được cung cấp bởi công nghệ chất bán dẫn. Cuối cùng, cần phải lắp ráp và mở rộng một mạng khéo léo bao gồm các tranzisto, bộ khuếch đại, chuyển mạch, máy phát. Máy thu và các bộ phận khác cùng làm việc đồng thời. Cuộc cách mạng viễn thông diễn ra từ sự hợp tác của hàng nghìn nhà khoa học và công nghệ trên khắp thế giới.

Triển lãm thế giới năm 1889 ở Paris tổ chức kỷ niệm 100 năm Cách mạng Pháp. Tháp Eiffel trở thành một trong các công trình tưởng niệm nổi tiếng nhất của triển lãm này. Tại đây có một màn trình diễn đáng chú ý của ánh sáng. Nó được thực hiện với đài phun nước trong đó có các chùm ánh sáng có màu sắc nhờ sử dụng điện. Vào giữa thế kỷ XIX, người ta cũng đã tìm cách tạo ra các chùm ánh sáng được dẫn bởi nước. Những cố gắng này đã chứng tỏ rằng khi một tia nước bị ánh sáng Mặt Trời rọi chiếu, ánh sáng đi qua tia nước và đi theo dạng cong của tia nước.

Người ta phát hiện thấy các ảnh hưởng của ánh sáng trong thủy tinh hoặc nước từ trước đó rất lâu. Khoảng 4 500 năm trước đây, thủy tinh đã được chế tạo ở Mesopotamia và Egypt. Những người thợ thủy tinh Venetian có thể nhận biết màn trình diễn của ánh sáng diễn ra trong các đồ trang trí cuộn xoáy của họ. Thủy tinh chạm đã được sử dụng trong các giá nến nhiều ngọn và các đèn chùm treo pha lê và điều bí ẩn khó hiểu về cầu vồng thách thức trí tưởng tượng của nhiều người một thời gian lâu trước khi các định luật quang học đưa ra lời giải đáp ở thế kỷ XVII. Tuy nhiên, chỉ khoảng 100 năm trước đây những ý tưởng này mới xuất hiện trở lại và con người thử sử dụng các chùm ánh sáng bị bắt giữ.

Một tia của ánh sáng Mặt Trời đi vào nước bị bẻ cong khi nó tới bề mặt nước vì chiết suất của nước cao hơn chiết suất của không khí. Nếu hướng của chùm sáng ngược trở lại, nghĩa là chùm sáng đi từ nước vào không khí thì nó có thể hoàn toàn không đi vào không khí mà bị phản xạ ngược trở lại nước. Hiện tượng này tạo thành cơ sở cho công nghệ ống dẫn sóng quang trong đó ánh sáng bị bắt giữ bên trong một sợi với chiết suất cao hơn chiết suất của môi trường xung quanh sợi. Một tia sáng hướng vào trong một sợi bị phản xạ nhiều lần với thành thủy tinh và chuyển động về phía trước do chiết suất của thủy tinh cao hơn chiết suất của không khí xung quanh.

Nghề y đã sử dụng các sợi quang ngắn và đơn giản từ những năm 1930. Nhờ một chùm của các đũa thủy tinh mảnh, ta có thể quan sát nội tạng hoặc răng của bệnh nhân trong quá trình phẫu thuật. Tuy nhiên, khi các sợi tiếp xúc với nhau chúng cho ánh sáng thoát ra và chúng cũng có thể dễ dàng trở nên hư hỏng. Việc bao phủ sợi trần trong lớp bọc thủy tinh với chiết suất thấp hơn dẫn tới những tiến bộ đáng kể và những tiến bộ đó trong những năm 1960 mở đường cho việc sản xuất công nghiệp các thiết bị đối với điều trị dạ dày và các ứng dụng y học khác.

Tuy nhiên, các sợi thủy tinh này là vô dụng đối với thông tin khoảng cách xa. Hơn nữa, một số ít sợi thủy tinh thực sự được chú ý về ánh sáng quang và đó là những ngày của công nghệ điện tử và vô tuyến. Năm 1956, người ta triển khai cáp xuyên Đại Tây Dương đầu tiên và nó cho phép thực hiện đồng thời 36 cuộc gọi điện thoại. Sớm sau đó các vệ tinh bắt đầu được sử dụng để phục vụ các nhu cầu thông tin ngày càng tăng. Điện thoại phát triển nhanh chóng và việc truyền hình đòi hỏi các khả năng truyền sóng cao hơn nữa. Khi so sánh với các sóng vô tuyến, ánh sáng hồng ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy mang thông tin cao hơn hàng chục nghìn lần. Do đó, tiềm năng của các sóng ánh sáng quang không thể không được tính đến.

Phát minh laze vào đầu những năm 1960 là một bước quyết định hướng tới quang học sợi. Laze là một nguồn sáng ổn định. Nó phát ra một chùm sáng mạnh hội tụ cao và người có thể bơm nó vào trong một sợi quang mảnh. Các laze đầu tiên phát ra ánh sáng hồng ngoại và đòi hỏi sự làm lạnh. Khoảng năm 1970, người ta phát triển các laze có nhiều ứng dụng thực tế hơn và có thể hoạt động liên tục ở nhiệt độ phòng. Đó là một sự đột phá công nghệ mà nó tạo điều kiện thuận lợi cho thông tin quang.

Toàn bộ thông tin bây giờ có thể được mã hóa thành một ánh sáng nhấp nháy cực nhanh biểu diễn các số một và số không. Tuy nhiên, người ta còn chưa biết làm thế nào để các tín hiệu như thế có thể truyền qua các khoảng cách xa hơn vì sau khoảng 20 mét, chỉ còn 1% ánh sáng đi vào trong sợi thủy tinh.

Việc làm giảm sự mất mát này của ánh sáng trở thành một thách thức đối với một người nhìn xa trông rộng như Kao. Ông chuyển đến Hồng Kông cùng với gia đình của mình vào năm 1948. Ông được đào tạo thành một kỹ sư điện tử và bảo vệ luận án tiến sĩ năm 1965 ở Luân Đôn. Lúc đó, ông cũng đã làm việc tại Các phòng thí nghiệm viễn thông tiêu chuẩn. Ở đó, ông đã nghiên cứu tỷ mỷ các sợi quang cùng với một đồng nghiệp trẻ tuổi là George A. Hockham. Mục đích của họ là còn lại ít nhất 1% ánh sáng đi vào một sợi thủy tinh sau khi ánh sáng đi được quãng đường là 1 kilômét.

Tháng 1 năm 1966, Kao giới thiệu các kết luận của mình. Không phải các khuyết tật trong sợi là vấn đề chính mà là thủy tinh được lọc sạch. Kao thừa nhận rằng điều này là khả thi nhưng rất khó. Mục đích là nhằm sản xuất thủy tinh tinh khiết chưa từng đạt được trước đó.

Thủy tinh được chế tạo từ thạch anh – một loại khoáng có nhiều nhất trên Trái Đất. Để sản xuất thủy tinh, người ta sử dụng các chất phụ gia khác nhau như xôđa (cacbonat natri) và vôi để đơn giản hóa quá trình. Tuy nhiên, để sản xuất thủy tinh tinh khiết nhất trên thế giới Kao cho rằng có thể sử dụng thạch anh nóng chảy và silica (oxit silic) nóng chảy. Sự nóng chảy xảy ra ở khoảng 2000oC. Nhiệt độ này khó điều khiển nhưng từ đó người ta có thể chế tạo các sợi cực mảnh.

4 năm sau vào năm 1971, các nhà khoa học tại Corning Glass Works, Mỹ – một nhà sản xuất thủy tinh với hơn 100 năm kinh nghiệm đã chế tạo ra một sợi quang dài 1 kilômét bằng cách sử dụng các quá trình hóa học.

Các sợi cực mảnh bằng thủy tinh có thể dường như rất dễ vỡ. Tuy nhiên, khi thủy tinh được tạo ra ở dạng sợi dài thì các tính chất của nó thay đổi. Nó trở nên bền vững, nhẹ và dễ uốn. Điều này là điều kiện trước tiên để sợi có thể được chôn vùi, ngâm trong nước hoặc uốn cong quanh các góc. Không giống như các cáp đồng, sợi thủy tinh không nhạy với sự chiếu sáng và không giống như thông tin vô tuyến, nó không bị ảnh hưởng bởi thời tiết xấu.

Năm 1988, cáp quang đầu tiên được kéo dọc theo đáy Đại Tây Dương giữa Mỹ và châu Âu. Nó dài khoảng 6 000 km. Hiện nay, điện thoại và thông tin dữ liệu được truyền trong một mạng của các sợi thủy tinh quang với tổng chiều dài lên tới hơn 1 tỷ km.

Thậm chí trong một sợi thủy tinh có độ tinh khiết cao, tín hiệu bị suy yếu nhẹ dọc theo đường đi và được tăng cường khi nó được truyền qua các khoảng cách xa hơn. Nhiệm vụ này trước đây đòi hỏi kỹ thuật điện tử và bây giờ được thực hiện nhờ các bộ khuếch đại quang. Điều này khắc phục những tổn hao không cần thiết xảy ra khi ánh sáng được biến đổi thành tín hiệu điện tử và ngược lại.

Hiện nay 95% ánh sáng được giữ lại sau khi nó đi được khoảng cách là 1 km so với mong muốn của Kao là 1%. Hơn nữa, không thể chỉ ra một loại sợi đơn giản duy nhất. Việc lựa chọn xem có thể sử dụng loại sợi nào phụ thuộc vào các xem xét kỹ thuật, nhu cầu thông tin và giá thành.

Các sợi bao hàm một sự tác động qua lại tinh tế giữa kích thước, các tính chất vật liệu và bước sóng ánh sáng. Các laze bán dẫn và các điốt quang với kích thước của một hạt cát làm đầy các mạng của các sợi quang với ánh sáng mà nó mang hầu như toàn bộ điện thoại và thông tin dữ liệu trên khắp thế giới. Ánh sáng hồng ngoại với bước sóng 1,55 micrômét hiện nay đã được sử dụng cho toàn bộ thông tin khoảng cách xa trong đó những tổn hao là thấp nhất.

Khả năng của các mạng cáp quang còn tiếp tục tăng lên với một tốc độ đáng kinh ngạc. Không còn lâu nữa khi mạng cáp quang có thể truyền hàng ngàn gigabit trong một giây. Sự phát triển công nghệ đang tiến theo hướng thông tin ngày càng có nhiều tác động qua lại hơn trong đó các cáp sợi quang được thiết kế để tiếp cận theo mọi cách đến ngôi nhà của mọi người. Chúng ta làm gì với nó là một câu hỏi hoàn toàn khác.

Đôi khi các phát minh xuất hiện hoàn toàn không tính trước được. Bộ cảm biến ảnh gọi là thiết bị liên kết điện tích CCD là một phát minh như thế. Không có CCD thì sự phát triển của các máy ảnh kỹ thuật số sẽ chậm hơn. Không có CCD thì chúng ta sẽ không nhìn thấy các hình ảnh đáng kinh ngạc của không gian được chụp từ kính thiên văn không gian Hubble hoặc các hình ảnh của hoang mạc đỏ trên sao Hỏa.

Đó không phải là những điều mà các nhà phát minh CCD là Boyle và Smith nghĩ đến khi họ bắt đầu công việc nghiên cứu của họ. Vào một ngày tháng 9 năm 1969, họ phác ra những nét chính về cơ sở của một bộ cảm biến ảnh trên bảng đen trong văn phòng của Boyle. Khi đó, họ không nghĩ đến các bức ảnh chụp. Mục đích của họ với CCD là nhằm phát hiện một bộ nhớ điện tử tốt hơn. CCD như là một bộ nhớ bây giờ đã bị quên lãng. Tuy nhiên, họ tìm ra một phần không thể thiếu được của công nghệ chụp ảnh hiện đại. CCD còn là một câu chuyện thành công khác của kỷ nguyên điện tử của chúng ta.

Cũng như nhiều thiết bị khác trong công nghệ điện tử, một bộ cảm biến ảnh số CCD được làm bằng silic. Với kích thước của một con tem, tấm silic giữ hàng triệu tế bào quang điện nhạy sáng. Kỹ thuật chụp ảnh sử dụng hiệu ứng quang điện do Albert Einstein (Giải Nobel Vật lý năm 1921) là người đầu tiên xây dựng lý thuyết. Hiệu ứng xảy ra khi ánh sáng va chạm vào tấm silic và làm bật ra các điện tử trong các tế bào quang điện. Các điện tử được giải phóng tụ lại trong các tế bào mà chúng trở thành các giếng nhỏ đối với các điện tử. Lượng ánh sáng càng lớn thì số các điện tử làm đầy các giếng này càng nhiều.

Khi tác dụng một điện áp lên dãy CCD, lượng chứa bên trong của các giếng có thể được đọc một cách tuần tự. Các điện tử hết dãy này đến dãy khác rời khỏi dãy lên trên một loại băng chuyền. Chẳng hạn như một dãy của 10 x 10 điểm ảnh được biến đổi thành một chuỗi dài 100 điểm. Bằng cách này CCD biến đổi ảnh quang thành các tín hiệu điện mà chúng sau đó được chuyển thành các số một và không. Mỗi một tế bào khi đó có thể được dựng lại như một điểm ảnh gọi là một pixel. Khi nhân bề rộng của CCD tính theo pixel với chiều cao của nó, ta thu được dung lượng ảnh của bộ cảm biến. Như vậy, một CCD với 1280 x 1024 pixel có dung lượng là 1,3 megapixel (1,3 triệu pixel).

CCD dịch một ảnh thành màu đen và màu trắng. Do đó, cần sử dụng các bộ lọc khác nhau để thu được màu sắc của ánh sáng. Một loại bộ lọc mà nó chứa một trong các màu sắc cơ bản là màu đỏ, màu xanh lá cây và màu lam được đặt trên mỗi một tế bào trong bộ cảm biến ảnh. Nhờ độ nhạy của mắt người, số các pixel màu xanh lá cây cần phải lớn gấp đôi số các pixel màu lam hoặc màu đỏ. Có thể dùng một số bộ lọc cho việc chụp ảnh với chất lượng cao hơn.

Thực tế là ý tưởng CCD của Boyle và Smith trong khoảnh khắc quẫn trí ngắn của họ 40 năm trước đây có thể được qui cho chính kiến bên trong của xếp của họ. Xếp của họ tại Bell Labs nằm ở ngoài New York khuyến khích họ ưa thích thách thức và tham gia vào một cuộc thi liên quan đến sự phát triển của một bộ nhớ bọt (một phát minh khác trong các phát minh của Bell Labs) tốt hơn. Khi Boyle và Smith hoàn thành thiết kế cơ bản của CCD, các kỹ thuật viên chỉ cần một tuần để lắp ráp mẫu CCD đầu tiên. CCD như là một bộ nhớ đã bị quên lãng từ lâu nhưng nó trở thành trung tâm của nhiều kỹ thuật chụp ảnh số.

Smith làm việc ở Bell Labs từ năm 1959 và ở đây ông được cấp 30 bằng sáng chế. Khi ông về hưu năm 1986, ông dành toàn bộ thời gian của mình cho niềm đam mê suốt đời của mình là đi thuyền trên đại dương mà nó nhiều lần đưa ông đi khắp thế giới.

Năm 1969 Boyle có nhiều phát minh quan trọng chẳng hạn như phát minh liên quan đến sự phát triển laze ánh sáng đỏ liên tục đầu tiên trên thế giới. Boyle sinh ra ở một vùng xa xôi hẻo lánh của Nova Scotia ở Canađa và ông được giáo dục tại gia đình bởi mẹ của mình cho đến năm 15 tuổi. Ông bắt đầu làm việc ở Bell Labs năm 1953 và trong những năm 1960, ông cùng với 400 000 nhà khoa học ở Mỹ góp sức đưa con người đầu tiên lên Mặt Trăng vào ngày 20 tháng 7 năm 1969.

Những ưu việt của bộ cảm biến ảnh điện tử nhanh chóng được mọi người thừa nhận. Năm 1970 khoảng một năm sau phát minh này, Smith và Boyle lần đầu tiên chứng minh một CCD trong camera ghi hình của họ. Năm 1972, công ty Fairchild của Mỹ đã thiết kế bộ cảm biến ảnh đầu tiên với 100 x 100 pixel mà nó được đưa vào sản xuất một vài năm sau đó. Năm 1975 Boyle và Smith đã tự chế tạo một camera ghi hình số với độ phân giải đủ cao để điều khiển phát sóng truyền hình.

Năm 1981 máy ảnh đầu tiên gắn với CCD xuất hiện trên thị trường. Điều này mở đầu một sự số hóa định hướng thương mại nhiều hơn trong lĩnh vực kỹ thuật chụp ảnh. Năm 1986 bộ cảm biến ảnh 1,1 megapixel ra đời và năm 1995 máy chụp ảnh ảnh kỹ thuật số hoàn toàn đầu tiên xuất hiện. Các nhà sản xuất máy ảnh trên khắp thế giới nhanh chóng ứng dụng thành tựu này và thị trường tràn ngập các máy ảnh kỹ thuật số ngày càng nhỏ hơn và rẻ hơn.

Các máy ảnh có trang bị các bộ cảm biến ảnh thay cho phim ảnh mở ra một kỷ nguyên mới trong lịch sử chụp ảnh và kết thúc kỷ nguyên phim ảnh. Kỷ nguyên phim ảnh bắt đầu từ năm 1939 khi Louis Daguerre trình bày phát minh phim ảnh của mình Viện hàn lâm Khoa học Pháp.

Máy ảnh kỹ thuật số với CCD là một thành công thương mại khi nó thâm nhập vào cuộc sống hàng ngày. CCD sau khi ra đời bị thách thức bởi một công nghệ khác gọi là Bán dẫn ôxit kim loại bổ sung CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). CMOS được phát minh gần như cùng lúc với CCD. Cả hai công nghệ này đều sử dụng hiệu ứng quang điện nhưng trong lúc các điện tử tụ tập trong một “cuộc tuần hành” CCD xếp hàng để được đọc thì mỗi một tế bào quang điện trong một CMOS được đọc trên đúng vị trí của nó.

CMOS tiêu thụ ít năng lượng hơn nên các bộ pin kéo dài lâu hơn và một thời gian dài nó cũng rẻ hơn so với CCD. Tuy nhiên, người ta cũng tính đến các mức tạp âm và sự mất mát chất lượng ảnh cao hơn của CMOS. Do đó, CMOS không đủ nhạy đối với nhiều ứng dụng quan trọng. CMOS hiện nay thường được sử dụng đối với chụp ảnh qua điện thoại cầm tay và các loại chụp ảnh khác. Tuy nhiên, cả CCD và CMOS đang liên tục được phát triển và chúng có thể đổi lẫn cho nhau trong nhiều ứng dụng.

Ba năm trước đây (2006), CCD đã chọc thủng giới hạn 100 megapixel và mặc dù chất lượng ảnh không chỉ phụ thuộc vào số các pixel, việc vượt qua giới hạn này được xem như mang lại cho kỹ thuật chụp ảnh số một bước tiến mới trong tương lai. Có những người dự đoán rằng tương lai thuộc về CMOS hơn là thuộc về CCD. Một số người khác cho rằng cả hai công nghệ CMOS và CCD sẽ tiếp tục bổ sung lẫn nhau trong một thời gian dài.

Lúc đầu không một người nào dám dự đoán rằng CCD sẽ không thể thiếu được trong lĩnh vực thiên văn học. Tuy nhiên, chính xác là nhờ có công nghệ số mà máy ảnh góc rộng trên kính thiên văn không gian Hubble có thể gửi các hình ảnh đáng kinh ngạc về Trái Đất. Bộ cảm biến của máy ảnh lúc đầu chỉ bao gồm 0,64 megapixel. Tuy nhiên, khi bốn bộ cảm biến được nối với nhau thì chúng cung cấp tổng cộng là 2,56 megapixel. Đó là một việc lớn trong những năm 1980 khi người ta chế tạo ra kính thiên văn không gian. Hiện nay, vệ tinh Kepler được trang bị một bộ cảm biến hình men rạn 95 megapixel và người ta hi vọng rằng nó sẽ phát hiện các hành tinh kiểu Trái Đất xung quanh các ngôi sao khác với Mặt Trời.

Các nhà thiên văn học sớm nhận ra các ưu điểm của bộ cảm biến ảnh số. Nó trải rộng toàn phổ ánh sáng từ tia X đến ánh sáng hồng ngoại. Nó nhạy hơn phim ảnh 1000 lần. Trong số 100 hạt ánh sáng đi tới, một CCD có thể bắt được 90 hạt trong khi một kính ảnh hoặc mắt người chỉ bắt được một hạt. Trong một vài giây, có thể thu thập ánh sáng từ các thiên thể ở xa nhờ CCD trong khi trước đây người ta phải mất một vài giờ. Lượng ánh sáng càng lớn thì số điện tử càng nhiều.

Năm 1974 bộ cảm biến ảnh đầu tiên đã được sử dụng để chụp ảnh Mặt Trăng. Đó là các bức ảnh thiên văn đầu tiên được chụp với một máy ảnh số. Với tốc độ của tia chớp, các nhà thiên văn học chấp nhận công nghệ mới này. Năm 1979 một máy ảnh số với độ phân giải là 320 x 512 pixel được lắp đặt trên một trong các kính thiên văn tại Kitt Peak ở Arizona, Mỹ.

Ngày nay, mỗi khi sử dụng đến chụp ảnh, viđeo hoặc truyền hình, người ta thường bao hàm các bộ cảm biến ảnh số trong quá trình. Chúng rất có ích đối với các mục đích giám sát cả trên Trái Đất và trong không gian. Hơn nữa, công nghệ CCD được sử dụng trong một loạt các ứng dụng y học như chụp ảnh nội tạng cơ thể người cả đối với cả chẩn đoán và thao tác phẫu thuật. Bộ cảm biến ảnh số trở thành một thiết bị được sử dụng rộng rãi trong dịch vụ khoa học ở cả đáy đại dương và trong khong gian. Nó có thể phát hiện các chi tiết tinh tế trong các đối tượng ở rất xa và cực nhỏ. Theo con đường này, những sự đột phá khoa học và công nghệ đan xen lẫn nhau.

Charles Kuen Kao là công dân của cả Anh và Mỹ. Ông sinh năm 1933 tại Thượng Hải (Trung Quốc). Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện năm 1965 tại Cao đẳng Hoàng gia Luân Đôn (Anh). Ông là giám đốc kỹ thuật tại Các phòng thí nghiệm viễn thông tiêu chuẩn ở Harlow (Anh), phó hiệu trưởng danh dự Đại học Hong Kong Trung Quốc và nghỉ hưu năm 1996.

Willard Sterling Boyle là công dân của cả Canađa và Mỹ. Ông sinh năm 1924 tại Amherst, NS, Canađa. Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ Vật lý năm 1950 tại Đại học McGill, QC, Canađa. Ông là giám đốc điều hành của Nhóm khoa học thông tin thuộc Bell Labs ở Murray Hill, NJ, Mỹ và nghỉ hưu năm 1979.

George Elwood Smith là công dân Mỹ. Ông sinh năm 1930 tại White Plains, NY, Mỹ. Ông bảo vệ luận án Tiến sĩ Vật lý năm 1959 tại Đại học Chicago, IL, Mỹ. Ông là trưởng Phòng Thiết bị VLSI thuộc Bell Labs, Murray Hill, NJ, Mỹ và nghỉ hưu năm 1986. Dr. Smith là thành viên của các tổ chức P. Mu. Epsilon, Phi. Beta Kappa và Sigma; hội viên Viện Kỹ sư điện và điện tử IEEE và Hội Vật lý Mỹ và viện sĩ Viện Hàn lâm Kỹ thuật Quốc gia. Ông được cấp 31 bằng sáng chế của Mỹ và tác giả của hơn 40 Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo khoa học. Smith đã được trao tặng Giải thưởng năm 1997 của Hội Các thiết bị điện tử thuộc IEEE. Đóng góp kỹ thuật chủ yếu của ông là sự khởi đầu vào năm 1970 của CCD cùng với Boyle. CCD đã được cấp bằng sáng chế của Mỹ. Smith và Boyle đã công bố Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo đầu tiên đưa ra khái niệm CCD kèm theo mọt Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo về xác minh thực nghiệm của nó vào năm 1970.

Boyle và Smith đã được trao tặng Huy chương Stuart Ballentine năm 1973 của Viện Franklin, Giải thưởng Morris N. Liebmann năm 1974 của IEEE, Huy chương Tiến bộ năm 1986 của Hội Nhiếp ảnh Mỹ, Giải thưởng Đột phá năm 1999 của Hội nghị Nghiên cứu thiết bị của IEEE, Huy chương Edwin H. Land năm 2001 của Hội Khoa học và Công nghệ chụp ảnh và Giải thưởng C&C (Máy tính và Thông tin liên lạc) năm 1999 của Liên đoàn NEC, Nhật Bản.


PGS. TS Nguyễn Quang Học
Nguồn phys.hnue.edu.vn
 
Last edited:
Nobel Vật lí 2008


Giải Nobel Vật lý năm 2008 được trao cho giáo sư người Mỹ gốc Nhật Yoichiro Nambu (1921-) tại Viện Enrico Fermi thuộc Đại học Chicago (Mỹ) “do phát minh cơ chế của sự phá vỡ đối xứng tự phát trong vật lý dưới nguyên tử”, giáo sư người Nhật Makoto Kobayashi (1944-) tại Tổ chức Nghiên cứu Máy gia tốc Năng lượng lượng cao (Nhật Bản) và giáo sư người Nhật Toshihide Maskawa (1940-) tại Viện Vật lý lý thuyết Yukawa thuộc Đại học Kyoto (Nhật Bản) “do phát minh nguồn gốc của sự phá vỡ đối xứng mà nó dự đoán sự tồn tại của ít nhất ba họ quac trong tự nhiên”.

Tại sao có một cái gì đó thay cho không có gì cả? Tại sao có nhiều hạt cơ bản khác nhau như vậy? Những người đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2008 giúp chúng ta hiểu biết sâu hơn về những gì xảy ra bên trong các khối xây dựng nhỏ nhất của vật chất. Các định luật đối xứng của tự nhiên là trung tâm của vấn đề này hay đúng hơn là những đối xứng bị phá vỡ trong đó có những đối xứng dường như tồn tại trong vũ trụ của chúng ta ngay từ lúc ban đầu và những đối xứng tự mất đi đối xứng ban đầu ở một nơi nào đó dọc theo hành trình của vũ trụ. Thực tế là tất cả chúng ta đều những đứa con của sự phá vỡ đối xứng. Sự phá vỡ đối xứng cần phải xảy ra ngay lập tức sau Vụ nổ lớn (Big Bang) khoảng 14 tỷ năm trước đây khi có nhiều phản vật chất như vật chất được sinh ra. Cuộc gặp gỡ của vật chất và phản vật chất là định mệnh không tránh được cho cả hai. Chúng hủy diệt lẫn nhau và tất cả những gì còn lại là bức xạ. Tuy nhiên, rõ ràng là vật chất đã thắng phản vật chất vì nếu không bây giờ chúng ta sẽ không tồn tại. Nhưng bây giờ chúng ta tồn tại và chỉ một sự lệch nhỏ khỏi sự đối xứng hoàn chỉnh dường như là đủ, nghĩa là một hạt vật chất thêm vào cho mỗi một mười tỷ hạt phản vật chất là đủ để làm cho thế giới của chúng ta tồn tại. Sự dư vật chất này là mầm mống của toàn bộ vũ trụ của chúng ta được làm đầy với các thiên hà, sao, hành tinh và cuối cùng là sự sống. Nhưng cái gì nằm phía sau sự vi phạm đối xứng này trong vũ trụ vẫn còn là một bí ẩn.

Trong nhiều năm, nghiên cứu vật lý tập trung vào việc tìm kiếm các định luật tự nhiên bị che khuất sâu bên trong một phạm vi rộng của các hiện tượng mà chúng ta nhìn thấy xung quanh chúng ta. Các định luật tự nhiên cần phải là đối xứng và tuyệt đối một cách hoàn hảo. Chúng cần phải có giá trị ở khắp toàn bộ vũ trụ. Cách tiếp cận này dường như là đúng đối với hầu hết các trường hợp nhưng không phải luôn luôn như vậy. Đó là lý do tại sao những đối xứng bị phá vỡ thu hút được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu như những đối xứng. Trong thế giới không cân xứng của chúng ta, sự đối xứng hoàn hảo là một sự đối xứng lý tưởng hiếm thấy.

Nhiều loại đối xứng và đối xứng bị phá vỡ khác nhau là một phần của cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Chữ A không thay đổi khi chúng ta nhìn thấy nó trong gương trong lúc chữ Z phá vỡ đối xứng này. Mặt khác, chữ Z vẫn như thế khi bạn lộn ngược nó nhưng nếu bạn lộn ngược chữ A thì sự đối xứng bị phá vỡ. Lý thuyết hạt cơ bản mô tả ba nguyên lý đối xứng khác nhau là đối xứng gương, đối xứng điện tích và đối xứng thời gian. Theo thuật ngữ vật lý, đối xứng gương được ký hiệu bằng chữ P. Đó là chữ cái đầu của từ tiếng Anh “parity”. Đối xứng điện tích được ký hiệu bằng chữ C. Đó là chữ cái đầu của từ tiếng Anh “charge”. Đối xứng thời gian được ký hiệu bằng chữ T. Đó là chữ cái đầu của từ tiếng Anh “time”. Trong đối xứng gương, tất cả các sự kiện cần phải diễn ra theo cùng một trình tự một cách chính xác bất kể ở đâu người ta nhìn thấy chúng một cách trực tiếp hoặc trong gương. Chúng không có bất kỳ sự khác biệt nào giữa trái và phải và không có bất kỳ người nào có khả năng nhận ra họ đang ở trong thế giới riêng của họ hay ở trong thế giới nhìn qua gương. Trong đối xứng điện tích, các hạt cần phải ứng xử chính xác giống như những người bạn chí cốt của chúng là các phản hạt. Phản hạt có cùng tính chất nhưng ngược dấu điện tích với hạt. Còn trong đối xứng thời gian, khi lùi về quá khứ và tiến đến tương lai thì các sự kiện vật lý ở mức vi mô cần phải xảy ra như nhau.

Những sự đối xứng không chỉ có một giá trị thẩm mỹ trong vật lý. Chúng đơn giản hóa nhiều tính toán không thuận tiện và do đó đóng một vai trò quyết định trong mô tả toán học đối với thế giới vi mô. Một vấn đề thậm chí quan trọng hơn là những đối xứng này có liên quan đến một số lớn các định luật bảo toàn ở mức hạt cơ bản. Chẳng hạn như theo định luật năng lượng, năng lượng không thể mất đi trong các va chạm giữa các hạt cơ bản. Năng lượng cần phải được bảo toàn trước và sau va chạm và điều này là hiển nhiên trong sự đối xứng của các phương trình mô tả những va chạm hạt. Còn định luật bảo toàn điện tích liên quan đến đối xứng trong lý thuyết điện từ.

Khoảng giữa thế kỷ XX, sự đối xứng bị phá vỡ lần đầu tiên xuất hiện trong nghiên cứu về các nguyên lý cơ bản của vật chất. Lúc đó, vật lý đòi hỏi đạt được giấc mơ lớn nhất của nó là thống nhất các khối xây dựng nhỏ nhất và các lực của tự nhiên vào trong một lý thuyết chung gọi là lý thuyết thống nhất vĩ đại. Tuy nhiên, vật lý hạt cơ bản ngày càng trở nên phức tạp hơn. Các máy gia tốc mới được lắp đặt sau chiến tranh thế giới lần thứ II sinh ra một dòng ổn định của các hạt cơ bản chưa từng có trước đó. Hầu hết các số liệu do các máy gia tốc cung cấp không phù hợp với các mô hình do các nhà vật lý đưa ra lúc đó là vật chất bao gồm các nguyên tử với các nơtron và proton trong hạt nhân và các electron ở bao quanh hạt nhân. Những nghiên cứu sâu hơn trong các vùng ở trong cùng của vật chất phát hiện thấy rằng mỗi một proton hoặc nơtron lại bao hàm một bộ ba của các quac. Người ta chứng minh được rằng các hạt cơ bản đã được phát hiện cũng có cấu tạo từ các quac.

Hiện nay, hầu như tất cả các mảnh ghép của một bộ lắp hình đã được đặt vào đúng chỗ. Một mô hình gọi là Mẫu chuẩn cho các phần không thể chia nhỏ của vật chất bao gồm ba họ hạt cơ bản. Họ thứ nhất bao gồm 2 loại lepton là electron và nơtrino electron và 2 loại quac là quac lên và quac xuống. Họ thứ hai bao gồm 2 loại lepton là muon và nơtrino muon và 2 loại quac là quac duyên và quac lạ. Họ thứ ba bao gồm 2 loại lepton là tau và nơtrino tau và 2 loại quac là quac đỉnh và quac đáy. Các họ này giống nhau nhưng chỉ các hạt trong họ thứ nhất nhẹ nhất là đủ bền vững để tạo nên vũ trụ. Các hạt trong hai họ nặng hơn tồn tại trong các điều kiện rất không bền vững và phân rã ngay thành các loại hạt nhẹ hơn.

Bất kỳ cái gì đều được điều khiển bởi các lực. Mẫu chuẩn cho đến thời điểm hiện nay đã thống nhất ba loại lực cơ bản của tự nhiên là lực điện từ, lực mạnh và lực yếu. Chỉ còn một loại lực cơ bản thứ tư của tự nhiên là lực hấp dẫn chưa được bao hàm trong Mẫu chuẩn. Mẫu chuẩn bao hàm ba trong bốn loại lực cơ bản của tự nhiên cùng với các hạt mang lực của chúng. Các hạt mang lực là các hạt mang tương tác giữa các hạt cơ bản. Hạt mang lực của lực điện từ là photon với khối lượng không (hay không có khối lượng). Lực yếu tính đến sự phân rã phóng xạ và làm cho mặt trời và các sao chiếu sáng được mang bởi các hạt bozon W và Z nặng. Lực nặng trong hạt nhân nguyên tử được mang bởi các hạt gluon. Lực hấp dẫn giữ chúng ta ở trên mặt đất còn chưa được bao hàm trong Mẫu chuẩn và điều này đang là một thách thức lớn đối với các nhà vật lý hiện nay. Để hoàn chỉnh Mẫu chuẩn cần một loại hạt mới gọi là hạt Higgs và cộng đồng vật lý hi vọng tìm thấy nó trong máy gia tốc lớn nhất thế giới mang tên là máy gia tốc LHC mới được đưa vào vận hành tại Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu CERN ở Geneva (Thụy Sĩ).

Người đầu tiên chỉ ra vai trò có tính quyết định của sự đối xứng bị phá vỡ đối với nguồn gốc vũ trụ là nhà vật lý Nga Andrei Sakharov. Năm 1967 ông thiết lập ba điều kiện để phát sinh một thế giới giống thế giới của chúng ta không có phản vật chất. Điều kiện thứ nhất là các định luật vật lý phân biệt giữa vật chất và phản vật chất. Điều này thực tế đã được phát hiện với đối xứng CP bị phá vỡ. Điều kiện thứ hai là vũ trụ có nguồn gốc từ nhiệt của Vụ nổ lớn. Và điều kiện thứ ba là các proton trong mỗi hạt nhân nguyên tử đều phân hủy. Điều kiện cuối cùng có thể dẫn đến sự tận cùng của thế giới do nó ngụ ý rằng toàn bộ vật chất cuối cùng có thể biến mất. Nhưng điều đó còn lâu mới có thể xảy ra vì theo thực nghiệm, các proton duy trì ổn định trong khoảng 1033 năm. Khoảng thời gian này lớn hơn 10 ngàn tỷ tỷ lần so với tuổi của vũ trụ (khoảng lớn hơn 1010 năm một chút). Và không có một ai biết được chuỗi sự kiện của Sakharov xảy ra như thế nào trong vũ trụ sơ khai. Các điều kiện của Sakhrov cuối cùng có thể được bao hàm trong Mẫu chuẩn. Khi đó, có thể giải thích phần dư thừa vật chất tạo ra khi phát sinh vũ trụ.

Câu hỏi tại sao các đối xứng bị phá vỡ không được giải đáp cho đến năm 1972 khi hai nhà nghiên cứu trẻ của Đại học Kyoto tên là Kobayashi và Maskawa nhờ các tính toán vật lý lượng tử tìm ra lới giải trong một ma trận 3 x 3. Đối xứng bị phá vỡ kép xảy ra như thế nào? Mỗi một hạt kaon bao gồm một sự kết hợp của một quac và một phản quac. Lực yếu làm cho chúng chuyển hóa lẫn nhau: quac trở thành một phản quac trong lúc phản quac trở thành một quac và do đó biến đổi kaon thành phản kaon của nó. Theo cách này, hạt kaon chuyển đổi giữa bản thân nó và ngược với bản thân nó. Nhưng nếu các điều kiện đúng được đáp ứng, sự đối xứng giữa vật chất và phản vật chất sẽ bị phá vỡ. Ma trận tính toán của Kobayashi và Maskawa chứa các xác suất nhằm mô tả sự biến đổi của các quac sẽ xảy ra như thế nào. Hóa ra là các quac và phản quac trao đổi đặc tính cho nhau trong phạm vi họ riêng của chúng. Nếu sự trao đổi đặc tính này với đối xứng bị phá vỡ kép xảy ra giữa vật chất và phản vật chất, cần bổ sung một họ quac thứ ba vào hai họ quac đã có. Đó là một quan điểm táo bạo và Mẫu chuẩn nhận được các quac mới. Các quac mới theo dự đoán sau đó đã tìm thấy trong thực nghiệm. Người ta phát hiện ra quac duyên đầu năm 1974, quac đáy năm 1977 và quac đỉnh cuối năm 1994. Lý thuyết của Kobayashi và Maskawa chỉ ra rằng có thể nghiên cứu một sự vi phạm đối xứng chủ yếu trong các hạt mezon B nặng hơn 10 lần so với những người anh em họ của chúng là các kaon. Tuy nhiên, sự đối xứng bị phá vỡ xảy ra cực kỳ hiếm thấy trong các mezon B. Do đó, cần có những lượng rất lớn của các hạt này chỉ để tìm ra một ít sự đối xứng bị phá vỡ. Đầu năm 2001, cả hai thực nghiệm độc lập với nhau trên các máy gia tốc SLAC ở Stanford (California, Mỹ) và KEK ở Tsukuba (Nhật Bản) có thể sản sinh hơn một triệu mezon B mỗi ngày đã xác nhận sự vi phạm đối xứng của các mezon B chính xác như dự đoán trong mô hình của Kobayashi và Maskawa từ 30 năm trước đó. Điều này có nghĩa là một sự hoàn chỉnh Mẫu chuẩn. Gần như tất cả các mảnh ghép của bộ lắp hình được lắp vào đúng chỗ nhờ có một dự đoán táo bạo nhất trong số các dự đoán.

Mẫu chuẩn bao hàm tất cả các hạt cơ bản đã biết và và ba trong trong bốn lực cơ bản của tự nhiên. Nhưng tại sao các lực này lại khác nhau như thế? Và tại sao các hạt cơ bản lại có những khối lượng khác nhau như vậy? Quac nặng nhất là quac đỉnh nặng hơn ba trăm nghìn lần so với electron. Tại sao chúng hoàn toàn có bất kỳ khối lượng nào? Một lần nữa lực yếu lại có vai trò trên phương diện này. Các hạt mang của lực yếu là các hạt W và Z nặng hơn nhiều trong lúc bạn đồng minh của nó là photon mang lực điện từ lại hoàn toàn không có khối lượng. Nhiều nhà vật lý cho rằng sự đối xứng bị phá vỡ tự phát khác gọi là cơ chế Higgs phá hủy đối xứng ban đầu giữa các lực và đem lại cho các hạt các khối lượng của chúng trong các giai đoạn ban đầu của vũ trụ. Năm 1960, Nambu là người đầu tiên đưa sự vi phạm đối xứng tự phát mô tả hiện tượng siêu dẫn vào vật lý hạt cơ bản. Chúng ta có thể chứng kiến những vi phạm đối xứng tự phát đơn giản hơn trong cuộc sống hàng ngày. Một bút chì đặt đứng trên đầu nhọn của nó đưa ra một trạng thái hoàn toàn đối xứng trong đó tất cả các hướng đều bình đẳng như nhau. Nhưng đối xứng này bị mất đi khi nó rơi xuống và nằm trên mặt bàn. Bây giờ chỉ có một hướng được tính đến. Điều kiện của bút chì trở nên bền vững hơn. Bút chì sẽ nằm yên vì nó đã tiến đến mức năng lượng thấp nhất của nó. Một chân không có mức năng lượng có thể có thấp nhất trong vũ trụ. Thực tế là một chân không trong vật lý chính xác là một trạng thái với năng lượng có thể có thấp nhất. Nhưng nó không trống rỗng bởi bất kỳ cách nào. Xuất phát từ vật lý lượng tử, một chân không được định nghĩa là sự đầy của một nồi súp sủi bọt của các hạt mà chúng phồng lên chỉ để biến mất ngay lập tức lần nữa trong các trường lượng tử có mặt phân bố rộng nhưng không nhìn thấy được. Chúng ta được bao quanh bởi nhiều trường lượng tử khác nhau xuyên qua không gian. Bốn loại lực cơ bản của tự nhiên cũng được mô tả như các trường. Một trong số các trường này là trường hấp dẫn mà nó giữ chúng ta ở trên mặt đất và xác định xem cái gì là lên và cái gì là xuống. Nambu sớm nhận ra rằng các tính chất của một chân không là cần thiết cho việc nghiên cứu dối xứng bị phá vỡ tự tự phát. Một chân không, nghĩa là trạng thái năng lượng thấp nhất không tương ứng với trạng thái đối xứng cao nhất. Giống như bút chì rơi xuống, sự đối xứng của trường lượng tử bị phá vỡ và chỉ một trong nhiều hướng trường có thể có được lựa chọn.

Câu hỏi về khối lượng của các hạt cơ bản cũng đã được giải đáp bởi đối xứng phá vỡ tự phát của trường Higgs giả định. Theo quan niệm này, tại Vụ nổ lớn trường là đối xứng hoàn chỉnh và tất cả các hạt có khối lượng không. Nhưng trường Higgs giống như bút chì đứng trên mũi nhọn của nó là không bền vững. Do đó, khi vũ trụ lạnh đi, trường co lại tới chân không riêng của nó với mức năng lượng thấp nhất của nó theo định nghĩa lượng tử. Sự đối xứng của nó biến mất và trường Higgs trở thành một loại nước ngọt đối với các hạt cơ bản. Các hạt này hấp thụ những lượng trường khác nhau và có các khối lượng khác nhau. Một số hạt như các photon không bị lối kéo bởi trường Higgs và giữ không có khối lượng. Nhưng tại sao các electron có khối lượng là một câu hỏi khác mà chưa có ai trả lời được. Giống như các trường lượng tử khác, trường Higgs có đại diện riêng của nó là hạt Higgs. Các nhà vật lý đang cố gắng tìm kiếm nó trong máy gia tốc mạnh nhất thế giới là máy gia tốc LHC mới được vận hành tại CERN (Geneva, Thụy Sĩ). Có thể có một vài hạt Higgs khác nhau bị phát hiện hoặc không có hạt nào cả. Các nhà vật lý đã đưa ra nhiều lý thuyết trong đó có lý thuyết siêu đối xứng để mở rộng Mẫu chuẩn.

Tác giả Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 viết: PGS, TS Nguyễn Quang Học
Nguồn phys.hnue.edu.vn
 
Nobel Vật lí 2007
Albert Fert (193:cool:​
Peter Grunberg (1939-)​

Giải Nobel Vật lý năm 2007 được trao cho công dân Pháp Albert Fert tại Đại học Paris-Sud và Unité mixte de physique CNRS/Thales (Orsay, Pháp) và công dân Đức Peter Grunberg tại Viện nghiên cứu Vật lý chất rắn, Trung tâm Nghiên cứu Julich (Đức) “do phát minh về từ trở khổng lồ (GMR”.

Albert Fert sinh ngày 7 tháng 3 năm 1938 tại Carcassonne (Pháp). Fert đã cưới vợ và có hai con. Ông tốt nghiệp ngành Toán học và ngành Vật lý tại Đại học Sư phạm Paris năm 1962. Ông bảo vệ luận án tiến sĩ vật lý năm 1970 tại Đại học Paris-Sud (Orsay, Pháp) và trở thành giáo sư tại trường đại học này từ năm 1976. Ông là trưởng nhóm nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật lý chất rắn, Đại học Paris-Sud từ năm 1970 đến năm 1995 và giám đốc khoa học của Unité mixte de physique CNRS/Thales (Orsay, Pháp) từ năm 1995. Ông phát hiện ra hiệu ứng từ trở khổng lồ năm 1988. Lĩnh vực nghiên cứu chính của ông là vật lý chất ngưng tụ (kim loại, từ, cấu trúc nano, điện tử học spin). Ông đã công bố khoảng 270 công trình. Fert đã được trao tặng Giải thưởng Quốc tế về các vật liệu mới (1994) của Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng nghiên cứu từ (1994) của Hiệp hội Vật lý thuần túy và ứng dụng Quốc tế, Giải thưởng lớn Jean Ricard về vật lý (1994) của Hội Vật lý Pháp, Giải thưởng Vật lý châu Âu Hewlett-Packard (1997) của Hội Vật lý châu Âu, Huy chương Vàng (2003) của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Quốc gia Pháp, Giải thưởng Nhật Bản (2007) của Liên đoàn Khoa học và Công nghệ Nhật Bản, Giải thưởng Vật lý của Liên đoàn Wolf (2007) và Giải thưởng Nobel Vật lý (2007).

Peter Grunberg sinh ngày 18 tháng 5 năm 1939 tại Pilsen (bây giờ thuộc Czech). Grunberg đã cưới vợ tên là Helma Prausa và có ba con tên là Andreas (sinh năm 1973), Sylvia (sinh năm 1974) và Katharina (sinh năm 1981). Ông học Vật lý tại Đại học Johann Wolgang ở Franfurt (Main) từ năm 1959 đến năm 1963 và Đại học Công nghệ Darmstadt từ năm 1963 đến năm 1969. Ông bảo vệ luận án tiến sĩ vật lý năm 1969 tại Đại học Công nghệ Darmstadt (Đức). Ông là nhà khoa học nghiên cứu tại Viện nghiên cứu Vật lý chất rắn, Trung tâm Nghiên cứu Julich (Đức) từ năm 1972. Từ năm 1969 đến năm 1972, ông là thực tập sinh sau tiến sĩ tại Đại học Carleton(Ottawa, Canada). Grunberg giảng dạy tại Đại học Cologne (1984) và là giáo sư tại trường này (1992). Ông đã nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (1984-1985), Đại học Sendai và Trung tâm nghiên cứu Tsukuba ở Nhật Bản (1998). Ông nghỉ hưu từ Trung tâm nghiên cứu Julich vào năm 2004 sau 32 năm làm việc tại đó nhưng vẫn tiếp tục làm việc. Grunberg đã được trao tặng Giải thưởng Quốc tế về các vật liệu mới (1994) của Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng nghiên cứu từ (1994) của Hiệp hội Vật lý thuần túy và ứng dụng Quốc tế, Giải thưởng Công nghệ (1996) của Hiệp hội của những người bạn và nhà hảo tâm của Trung tâm Nghiên cứu Julich, Giải thưởng Vật lý châu Âu Hewlett-Packard (1997) của Hội Vật lý châu Âu, Giải thưởng Tương lai Đức (1998) của Tổng thống Cộng hoà Liên bang Đức, Giải thưởng Manfred von Ardenne về vật lý ứng dụng (2004) của Hội Màng mỏng châu Âu, danh hiệu “Nhà phát minh châu Âu của năm”(2006) của Ủy ban châu Âu và Văn phòng sáng chế châu Âu, Huy chương Stern Gerlach (2007) của Hội Vật lý Đức, Giải thưởng Nhật Bản (2007) của Liên đoàn Khoa học và Công nghệ Nhật Bản, Giải thưởng Vật lý của Liên đoàn Wolf (2007) và Giải thưởng Nobel Vật lý (2007).

Giải Nobel Vật lý năm 2007 được trao tặng cho công nghệ sử dụng để đọc dữ liệu trên các đĩa cứng. Nhờ công nghệ này, hiện nay người ta có thể thu nhỏ các đĩa cứng. Cần có các đầu đọc nhạy để đọc dữ liệu từ các đĩa cứng compăc chẳng hạn như trong các máy tính và một số máy nghe nhạc.

Năm 1988 Albert Fert và Peter Grunberg độc lập với nhau cùng phát hiện ra một hiệu ứng vật lý hoàn toàn mới gọi là từ trở khổng lồ (GMR). Những thay đổi từ rất yếu sinh ra những khác biệt chủ yếu về điện trở trong một hệ GMR. Loại hệ này là công cụ lý tưởng để đọc dữ liệu từ các đĩa cứng khi thông tin ghi lại bằng từ được chuyển đổi thành dòng điện. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư sớm ứng dụng hiệu ứng từ trở khổng lồ trong các đầu đọc. Năm 1997 đầu đọc đầu tiên trên cơ sở hiệu ứng GMR ra đời và điều đó sớm trở thành công nghệ tiêu chuẩn. Thậm chí các kỹ thuật đọc mới nhất hiện nay đều là những phát triển tiếp theo của GMR.

Một đĩa cứng lưu trữ thông tin chẳng hạn như âm nhạc dưới dạng của các vùng nhỏ vi mô bị từ hóa theo các hướng khác nhau. Một hướng từ hóa nào đó tương ứng với giá trị nhị phân của 0 và hướng khác tương ứng với giá trị nhị phân của 1. Có thể tìm lại thông tin nhờ một đầu đọc mà nó quét đĩa và ghi những thay đổi từ (những trường từ hóa khác nhau). Đĩa cứng càng nhỏ và càng compăc thì những vùng từ riêng càng nhỏ và càng yếu. Điều đó có nghĩa là từ trường của mỗi một byte trở nên yếu hơn và khó đọc. Do đó, nếu thông tin cần được xếp chặt hơn trên một đĩa cứng thì cần có các đầu đọc nhạy hơn. Vào cuối những năm 1990, một công nghệ hoàn toàn mới trở thành một công nghệ chuẩn trong các đầu đọc của các đĩa cứng. Công nghệ này đóng vai trò quyết định cho việc thúc đẩy hướng thu nhỏ đĩa cứng. Công nghệ đầu đọc hiện nay dựa trên hiệu ứng vật lý GMR. Một đầu đọc trên cơ sở hiệu ứng GMR có thể chuyển đổi những thay đổi từ rất nhỏ thành những khác biệt điện trở và do đó thành những thay đổi dòng điện do đầu đọc phát ra. Dòng điện là tín hiệu từ đầu đọc và những dòng điện khác nhau biểu diễn các số 1 và 0.

Lúc đầu, khi sử dụng các cuộn cảm trong các đầu đọc, người ta phát hiện thấy rằng một từ trường thay đổi cảm ứng một dòng điện qua cuộn dây. Mặc dù công nghệ này không thể theo kịp những đòi hỏi của các đĩa cứng thu nhỏ, các cuộn cảm còn được sử dụng để ghi thông tin lên trên đĩa. Tuy nhiên, đối với chức năng đọc, từ trở sớm được chứng minh là thích hợp hơn.

Từ lâu chúng ta biết rằng trở kháng của các vật liệu như sắt có thể bị ảnh hưởng bởi một từ trường. Hiện tượng từ trở (MR) là sự thay đổi trở kháng của một vật dẫn khi nó được đặt trong một từ trường ngoài. Đối với các chất sắt từ như sắt, coban và nicken, tính chất này phụ thuộc vào hướng của trường ngoài liên quan đến hướng của dòng điện đi qua vật. Năm 1857 nhà vật lý Anh William Thomson (Kelvin)(1824-1907) cũng đã công bố một Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo mà trong đó ông chứng minh rằng từ trở giảm dọc theo các đường từ hóa khi một từ trường tác dụng lên một vật dẫn từ. Còn nếu tác dụng từ trường ngang qua vật dẫn thì từ trở lại tăng lên. Sự khác biệt giữa từ trở theo hướng song song với đường từ hóa và từ trở theo hướng vuông góc với nó được gọi là từ trở bất đẳng hướng. Từ trở bất đẳng hướng là cái có trước trực tiếp đối với từ trở khổng lồ (GMR). Bây giờ người ta biết rằng từ trở bất đẳng hướng là do sự liên kết spin quỹ đạo của electron. Nói chung, các hiệu ứng từ trở là rất nhỏ (chỉ một vài phần trăm là lớn nhất). Hiệu ứng từ trở có vai trò quan trọng về mặt công nghệ đặc biệt là đối với các đầu đọc cho các đĩa từ và các cảm biến của các từ trường. Vật liệu có ích nhất là hợp kim của sát và nicken có công thức là Fe20Ni80. Tuy nhiên, nhìn chung không có một sự tiến bộ đáng kể nào về các vật liệu từ trở từ thời của Kelvin cho đến khi phát hiện ra từ trở khổng lồ vào năm 1988.

Trong số các kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm d (Sc,…, Cu, Y,…, Ag, Lu,…, Au, nghĩa là các nguyên tố chuyển tiếp thuộc các nhóm 3d, 4d và 5d), các kim loại thuộc nhóm 3d bao gồm sắt, coban và nicken là các chất sắt từ. Trong các lantanit (các nguyên tố thuộc nhóm d từ La đến Lu), gadolini cũng là một chất sắt từ. Nguồn gốc của từ tính trong các kim loại này tương ứng là do các electron thuộc nhóm 3d và 4f. Ta sẽ xem xét chủ yếu đến từ tính của các nguyên tố thuộc nhóm 3d.

Trong các nguyên tử tự do, các mức năng lượng nguyên tử 3d và 4s của các nguyên tố chuyển tiếp 3d là chỗ ở của các electron hóa trị. Ở trạng thái kim loại, các mức 3d và 4s này được mở rộng thành các vùng năng lượng. Do các quỹ đạo 4s được mở rộng khá lớn trong không gian, có một sự phủ lên nhau đáng kể giữa các quỹ đạo 4d thuộc về các nguyên tử lân cận và do đó, vùng 4d tương ứng được tản ra khắp một vùng năng lượng rộng (15-20 eV). Trái lại, các quỹ đạo 3d được mở rộng trong không gian ít hơn nhiều. Do đó, bề rộng năng lượng của vùng năng lượng 3d liên kết là tương đối hẹp (4-7 eV). Trong thực tế, người ta không thể đưa ra sự phân biệt rõ rệt giữa các quỹ đạo 3d và 4s vì chúng sẽ lai mạnh với nhau trong vật rắn. Tuy nhiên, để đơn giản các electron thuộc lớp 3d sẽ được coi là các electron kim loại – nghĩa là chúng là các electron lưu động và có thể mang dòng điện đi qua hệ mặc dù chúng còn kém linh động hơn nhiều so với các electron thuộc lớp 4s.

Một khái niệm có ích trong lý thuyết chất rắn là mật độ trạng thái electron (DOS) N(E) mà nó biểu diễn số electron trong hệ có năng lượng trong khoảng (E, E + dE). Theo nguyên lý loại trừ đối với các fermion (trong trường hợp này, fermion là electron), chỉ có thể có một electron chiếm giữ một trạng thái riêng. Tuy nhiên, mỗi một trạng thái là suy biến đối với spin và do đó có thể chứa một electron với spin lên và một electron với spin xuống. Ở trạng thái cơ bản, tất cả các mức năng lượng thấp nhất bị các electron lấp đầy và mức năng lượng bị chiếm cao nhất được gọi là năng lượng Fermi EF. Trên hình 1 ở bên trái, mật độ trạng thái được minh họa bằng sơ đồ đối với một kim loại 3d không từ (thường gọi là chất thuận từ) mà ở đó số electron với spin lên bằng số electron với spin lên, nghĩa là không có sự từ hóa toàn phần. Do đó, độ phân cực spin P = (N* - - N¯ )/(N* + N¯ ) = 0 trong đó N* (N¯ ) là số electron với spin lên (xuống). Đối với chất sắt từ, N* lớn hơn so với N¯ và do đó, sự phân cực spin toàn phần P > 0. Để so sánh năng lượng của trạng thái sắt từ với năng lượng của trạng thái thuận từ, người ta có thể xuất phát từ trạng thái thuận từ và giả sử có sự không cân bằng nhỏ giữa số các electron với spin lên và số các electron với spin xuống. Một sự chuyển của các electron với spin xuống từ vùng spin xuống đến vùng spin lên dẫn đến trao đổi năng lượng nhiều hơn ở trong hệ mà nó có nghĩa là một sự giảm năng lượng toàn phần. Mặt khác, một quá trình như thế đòi hỏi một sự chuyển của các electron từ các mức spin xuống ở dưới năng lượng Fermi ban đầu đến các mức spin lên nằm ngay trên năng lượng Fermi ban đầu. Điều này tất yếu dẫn đến một sự mất mát năng lượng vùng hay “động năng” và do đó dẫn đến sự tăng năng lượng toàn phần. Như vậy, có một sự cạnh tranh giữa hai hiệu ứng ngược nhau. Điều này có thể được phát biểu thành cái gọi là tiêu chuẩn Stoner về tính chất từ. Theo tiêu chuẩn này, khi I N(EF) > 1 thì hệ sẽ là một chất sắt từ. Ở đây, I là thông số trao đổi Stoner và N(EF) là mật độ trạng thái tại năng lượng Fermi. Thông số Stoner có giá trị riêng đối với từng nguyên tố trong khi N(EF) phụ thuộc lớn hơn nhiều vào các cách sắp xếp không gian riêng của các nguyên tử có liên quan với nhau (giống như cấu trúc tinh thể). Điều quan trọng nhất là N(EF) lấy giá trị lớn đối với các hệ với các vùng năng lượng hẹp giống như trong trường hợp của các nguyên tố chuyển tiếp nặng hơn thuộc nhóm 3d là Fe, Co và Ni. Đó là giải thích về tính sắt từ đối với các kim loại chuyển tiếp thuộc nhóm d.

Một tính chất quan trọng của các chất sắt từ là ở chỗ ở nhiệt độ cao, chúng không còn từ tính. Điều này xảy ra ở trên một nhiệt độ xác định gọi là nhiệt độ Curie (TC). Đối với các hệ Fe, Cr và Ni, các nhiệt độ tới hạn này ở xa trên nhiệt độ phòng và có thể bỏ qua.

Trong một vật dẫn kim loại, điện được vận chuyển dưới dạng của các electron có thể chuyển động tự do qua vật liệu. Dòng điện hình thành do chuyển động của các electron theo một hướng riêng. Đường đi của các electron càng thẳng, độ dẫn của vật liệu càng lớn. Điện trở là do các electron lệch khỏi đường thẳng của chúng khi chúng tán xạ trên các sai hỏng và các tạp chất trong vật liệu. Các electron tán xạ càng mạnh, điện trở càng cao.

Trong một vật liệu từ, sự tán xạ của các electron bị ảnh hưởng bởi hướng của sự từ hóa. Có một mối liên hệ rất chặt chẽ giữa sự từ hóa và trở kháng như trong hiện tượng từ trở khổng lồ do sự quay riêng của electron. Sự quay này cảm ứng một mômen từ. Đó là một tính chất cơ học lượng tử gọi là spin mà nó được định hướng theo một trong hai hướng ngược nhau. Trong một vật liệu từ, phần lớn các spin chỉ theo cùng một hướng và song song với hướng từ hóa chung. Tuy nhiên, một số ít hơn của các spin luôn luôn chỉ theo hướng ngược lại và phản song song với hướng từ hóa chung. Sự không cân bằng này không chỉ gây ra sự từ hóa mà còn tạo ra thực tế là các electron với spin khác nhau bị tán xạ tới một mức độ nào đó chống lại các sai hỏng và tạp chất đặc biệt là trong các giao diện giữa các vật liệu. Các tính chất vật liệu sẽ xác định loại electron nào bị tán xạ nhiều nhất.

Một dòng điện của các electron khi đi qua một hệ kim loại luôn luôn gặp phải một sự cản trở gọi là trở kháng R (dòng điện đi qua vật dẫn mà không gặp cản trở nào chỉ đối với vật siêu dẫn ở dưới một nhiệt độ xác định). Có một số lý do để giải thích điều đó. Trong tinh thể, các nguyên tử luôn luôn dao động (các phonon) xung quanh các vị trí cân bằng của chúng và bằng cách đó lệch ra khỏi các vị trí mạng hoàn hảo. Các electron dẫn có thể bị tán xạ bởi các độ lệch này (tương tác electron – phonon). Các đóng góp khác vào trở kháng của một kim loại là tán xạ của các electron lên các tạp chất và sai hỏng. Các electron tham gia vào quá trình dẫn điện là các electron ở tại hoặc ở rất gần mức Fermi. Đối với các kim loại thuận từ, không có sự khác biệt giữa các electron với spin lên và các electron với spin xuống và chúng có đóng góp như nhau vào trở kháng.

Năm 1936 Nevil Mott đã nghiên cứu độ dẫn điện của các nguyên tố chuyển tiếp thuộc nhóm d. Ông đã đề xuất rằng độ dẫn chủ yếu được xác định bởi các electron thuộc lớp 4s mà chúng có thể dễ dàng chuyển động do phạm vi năng lượng rộng của các vùng rút ra từ các trạng thái 4s. Tuy nhiên, trong một quá trình tán xạ, các electron thuộc lớp s có thể tán xạ về phía nhiều trạng thái d mà chúng sẵn có tại mức Ferni. Do đó, chúng bị tán xạ mạnh và điều này dẫn tới một sự tăng trở kháng đáng kể. Mặt khác đối với Cu – nguyên tố tiếp theo Ni trong Bảng tuần hoàn, tất cả các trạng thái 3d đều nằm dưới mức Fermi và do đó không sẵn có đối với các quá trình tán xạ. Điều này giải thích độ dẫn rất cao của Cu.

Trong những năm 1960 và 1970, Fert cùng với Campbell nghiên cứu độ dẫn của các vật liệu sắt từ thuộc nhóm 3d. Họ thực hiện các nghiên cứu rộng về những thay đổi trở kháng xảy ra khi các nồng độ thấp của các nguyên tố tạo thành hợp kim như Cr và các kim loại chuyển tiếp khác được đưa ra như các tâm tán xạ về phía chẳng hạn như Fe và Ni. Từ các nghiên cứu đó, họ chứng minh rằng trong một chất sắt từ như sắt, có hai loại hạt tải trong đó một loại tạo thành từ các electron có spin lên và một loại tạo thành từ các electron có spin xuống. Do mật độ trạng thái tại bề mặt Fermi rất khác nhau đối với hai trạng thái spin, có một sự khác biệt quan trọng về trở kháng đối với các electron với spin lên và các electron với spin xuống. Cũng có thể có những đóng góp vào trở kháng từ các quá trình tán xạ trong đó các spin bị đảo hướng. Điều này chẳng hạn có thể là do sự tán xạ trên các sóng spin hoặc từ sự liên kết quỹ đạo spin. Tuy nhiên, các hiệu ứng này là nhỏ và ở đây sẽ được bỏ qua. Như vậy, dòng điện trong một chất sắt từ như sắt, coban và nicken bao gồm các hạt tải với spin lên và spin xuống bị cản trở khác nhau.

Từ đầu những năm 1970, sự phát triển trong vật lý, hóa học và khoa học vật liệu dẫn tới các kỹ thuật thực nghiệm mới mà chúng cho phép các nhà khoa học tạo ra các vật liệu hoàn toàn mới. Khi sử dụng kỹ thuật epitaxi, người ta có thể chế tạo các vật liệu nhân tạo bằng cách xây dung một lớp nguyên tử này sau một lớp nguyên tử khác. Các kỹ thuật được đưa vào khi đó bao gồm chẳng hạn như sự phún xạ, cắt bỏ bằng laze, epitaxi chùm phân tử và sự lắng đọng hơi hóa học. Epitaxi chùm phân tử cũng đã được sử dụng vào cuối những năm 1960 để chế tạo các vật liệu siêu dẫn mỏng và các lớp kim loại có bề dày nanomét vào cuối những năm 1970. Điều này được áp dụng đầu tiên cho các kim loại không từ và sau đó cho các chất sắt từ kim loại. Đồng thời một số kỹ thuật được cải tiến bằng cách sử dụng chẳng hạn như hiệu ứng từ quang Kerr (MOKE) và sự tán xạ ánh sáng từ các sóng spin. Khi sử dụng các phương pháp này, có thể tạo ra các đa lớp kim loại bao gồm chẳng hạn như sắt và nghiên cứu các tính chất từ của chúng.

Để tạo ra các vật liệu có tính chất xác định, việc lựa chọn đế để nuôi vật liệu trên đó có vai trò đặc biệt quan trọng. Các vật liệu thường sử dụng là silic, điôxit silic, ôxit magiê và ôxit nhôm. Để thu được các đa lớp kim loại có tính chất xác định, điều quan trọng là các thông số mạng đối với các lớp kim loại khác nhau tương xứng với nhau và cũng là một thuận lợi nếu như hai kim loại tạo thành đa lớp có cùng tính chất tinh thể. Đó là trường hợp của crom và sắt trong đó cả hai kim loại đều phù hợp với cấu trúc tinh thể lập phương tâm khối và chúng có các khoảng cách mạng rất giống nhau. Điều cực kỳ quan trọng là hiện nay có thể tạo ra các đa lớp trong đó khoảng cách giữa các lớp từ có bậc cỡ nanomét. Để có hiệu ứng GMR, chiều dài quãng đường tự do trung bình của các electron dẫn cần phải lớn hơn nhiều so với khoảng cách giữa các lớp sao cho các electron có thể đi qua các lớp từ và tạo ra hiệu ứng GMR. Không có các kỹ thuật nuôi thực nghiệm mới, đòi hỏi này có thể không được đáp ứng và Fert và Grunberg không thể phát hiện ra GMR. Trong một số công trình trước công trình của Fert và Grunberg, có các thông báo về các quan sát đối với các hiệu ứng từ trở với bậc cỡ một vài phần trăm nhưng không có một quan sát nào trong số đó được ghi nhận phát hiện ra hiệu ứng mới.

Từ lâu người ta biết rằng các nhiễu loạn như các sai hỏng và tạp chất trong các hệ kim loại bị che chắn bởi các electron dẫn bao quanh. Sự nhiễu loạn sinh ra sự giảm dao động của mật độ electron như một hàm của khoảng cách từ sự đứt gãy (gọi là các dao động Friedel). Một cách tương tự, một nguyên tử tạp chất từ trong một môi trường kim loại sinh ra một sự phân cực spin cảm ứng của mật độ electron. Với sự tăng khoảng cách từ tạp chất từ, xuất hiện một dao động về dấu của sự phân cực và nhiễu loạn cũng sẽ giảm về độ lớn theo khoảng cách. Do đó, mômen từ của tạp chất thứ hai ở tương đối gần tạp chất thứ nhất được xếp song song hoặc phản song song với mômen từ của mômen thứ nhất phụ thuộc vào dấu của sự phân cực cảm ứng tại khoảng cách riêng đó. Người ta đã biết đến sự liên kết này (sự liên kết trao đổi) giữa các mômen từ đối với các kim loại đất hiếm mà ở đó, mỗi một nguyên tử có một mômen từ có nguồn gốc từ cấu hình electron 4f có liên kết (và định xứ) rất chặt nằm sâu bên trong nguyên tử. Trong thực tế, từ tính của các kim loại lantanit nặng hơn có nguồn gốc từ tương tác này.

Gadolini là một chất sắt từ mà ở đó, các mômen từ có nguồn gốc từ các electron 4f định xứ trên từng nguyên tử có cấu hình 4f7. Nghĩa là tất cả các mômen từ 4f chỉ theo cùng một hướng và bao quanh các mômen này có 3 electron dẫn ứng với một nguyên tử mà nó dàn xếp tương tác giữa các mômen từ 4f. Năm 1986 Majkrzak và cộng sự công bố một công trình về siêu mạng của Gd/Y/Gd trong đó họ thông báo một sự sắp xếp mômen từ phản song song giữa các lớp Gd đối với trường hợp của 10 đơn lớp của Y. Có thể giải thích điều này bằng cách là một lớp Gd sắt từ cảm ứng một sự phân cực spin dao động của kim loại Y không từ thông thường và lớp Gd thứ hai xảy ra tại khoảng cách có sự sắp xếp phản sắt từ. Grunberg và cộng sự phát hiện ra một một sự liên kết phản sắt từ giữa các lớp sắt đối với ba lớp Fe/Cr/Fe. Điều này có thể được giải thích theo cách tương tự như trường hợp của Gd/Y/Gd. Trong cả hai trường hợp, do bố trí hình học, có các đóng góp quan trọng vào liên kết trao đổi giữa các lớp từ sự giao thoa lượng tử của các sóng electron bị phản xạ tại các lớp từ. Có thể rút ra kết luận là vai trò quan trọng của các electron của các lớp không từ là ở chỗ chúng cung cấp cơ chế liên kết giữa các lớp từ.

Bước tiếp theo nhằm nghiên cứu sự phụ thuộc của liên kết vào bề dày của các lớp không từ trung gian. Một số nhóm nghiên cứu chỉ ra sự đổi dấu với sự tăng bề dày. Parkin đã nghiên cứu kỹ về sự phụ thuộc của tính chất dao động vào bề dày của lớp không từ, sự phụ thuộc của nó vào vật liệu của lớp không từ cũng như vào sự phụ thuộc của vật liệu của chính lớp từ. Parkin thực sự đã sử dụng hiệu ứng GMR như một công cụ để nghiên cứu sự phụ thuộc này. Để tạo ra các đa lớp, Parkin sử dụng kỹ thuật lắng đọng phún xạ manhêtron. Nhờ phương pháp này, có thể chế tạo một số lớn mẫu trong các điều kiện có thể so sánh với nhau. Công trình này đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển tiếp theo của hiệu ứng GMR vào một thiết bị cụ thể.

Xét một ví dụ về loại hệ đơn giản nhất trong đó xuất hiện từ trở khổng lồ. Nó bao gồm một lớp kim loại không từ nằm giữa hai lớp kim loại từ. Trong vật liệu từ và đặc biệt là tại giao diện giữa vật liệu từ và vật liệu không từ, các electron với các spin khác nhau bị tán xạ khác nhau. Ta sẽ xem xét trường hợp trong đó các electron tán xạ nhiều hơn nếu spin của chúng là phản song song với hướng chung của sự từ hóa. Điều này ngụ ý rằng trở kháng đối với các electron có spin phản song song với hướng từ hóa sẽ lớn hơn trở kháng đối với các electron có spin song song với hướng từ hóa. Khi các electron đi vào vật liệu không từ, chúng đều bị tán xạ giống nhau không phụ thuộc vào hướng spin của chúng. Tại giao diện thứ hai và trong lớp vật liệu từ thứ hai, các electron với spin phản song song lại một lần nữa bị tán xạ nhiều hơn so với các electron với spin song song.

Trong trường hợp khi cả hai lớp vật liệu từ bị từ hóa theo cùng một hướng, hầu hết các electron sẽ có spin song song và chuyển động dễ dàng qua cấu trúc. Tổng trở kháng trong trường hợp này là thấp. Tuy nhiên, nếu những sự từ hóa của hai lớp là đối nghịch, tất cả các electron sẽ ở trong trạng thái có spin phản song song ở một trong hai lớp. Điều đó có nghĩa là không có các electron có thể chuyển động dễ dàng qua hệ và tổng trở kháng trong trường hợp này là cao. Bây giờ, ta thử sử dụng cấu trúc này trong một đầu đọc để quét một đĩa cứng. Sự từ hóa của lớp vật liệu từ thứ nhất bị cố định trong lúc sự từ hóa của lớp vật liệu từ thứ hai có thể tự do chuyển động và do đó có thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của các từ trường lên đĩa cứng. Sự từ hóa của hai lớp vật liệu từ trong đầu đọc khi đó sẽ luân phiên theo hướng song song và phản song song với nhau. Điều này sẽ dẫn đến sự thay đổi trở kháng và dòng điện qua đầu đọc. Nếu dòng điện là tín hiệu rời khỏi đầu đọc, dòng điện mạnh có thể biểu thị giá trị nhị phân của 1 và dòng điện yếu có thể biểu thị giá trị nhị phân của 0.

Có thể giải thích trở kháng của một thiết bị GMR trong đó mô tả cấu hình từ của một đa lớp gồm một lớp không từ kẹp giữa hai lớp sắt từ cùng với mật độ trạng thái electron tương ứng đối với hai lớp sắt từ. Khi không có mặt từ trường, hai lớp sắt từ được tách dời với nhau theo một cách sao cho chúng có các hướng từ hóa ngược nhau. Khi có mặt từ trường, những hướng từ hóa của hai lớp sắt từ sẽ song song với nhau. Một dòng điện đi qua hệ đối với cả hai cấu hình. Dòng điện đi qua lớp sắt từ bao gồm hai loại là dòng điện của các electron với spin lên và dòng điện của các electron với spin xuống. Trở kháng đối với hai dòng điện này sẽ khác nhau. Khi một electron rời khỏi lớp sắt từ thứ nhất và đi vào lớp không từ, xuất hiện các quá trình tán xạ bổ sung và do đó sinh ra trở kháng phụ. Do các hạt với spin lên và spin xuống có mật đọ trạng thái khác nhau ở mức Fermi (hay đúng hơn chúng có nguồn gốc từ các mức năng lượng có đặc tính khác nhau), trở kháng không chỉ trong các lớp sắt từ mà còn cả trở kháng có nguồn gốc từ giao diện giữa lớp sắt từ và lớp không từ sẽ khác nhau đối với loại spin. Bên trong lớp không từ, các spin lên và spin xuống sẽ chịu cùng trở kháng nhưng nói chung, trở kháng này là thấp so với các trở kháng trong các lớp sắt từ và các giao diện giữa lớp sắt từ và lớp không từ và ở đây có thể bỏ qua.

Khi các electron đi vào lớp sắt từ thứ hai, chúng lại chịu sự tán xạ phụ thuộc vào spin tại giao diện giữa lớp sắt từ và lớp không từ. Cuối cùng, các electron với spin lên và spin xuống đi qua lớp sắt từ thứ hai với cùng trở kháng như trong lớp sắt từ thứ nhất và trở kháng này dĩ nhiên sẽ khác nhau đối với hai loại spin. Để đơn giản, trở kháng đối với các electron với spin lên (xuống) qua lớp sắt từ và tán xạ tại giao diện với lớp không từ được ký hiệu là R* (R¯ ). Như vậy, khi hai lớp có các sự phân cực spin và các hướng từ hóa song song, nghĩa là khi có mặt từ trường ngoài, trở kháng là 2R* đối với kênh spin lên và 2R¯ đối với kênh spin xuống. Sự bổ sung trở kháng đối với cấu hình dòng điện song song dẫn đến tổng trở khi có mặt từ trường ngoài RH = 2R* R¯ / (R* + R¯ ).

Trong trường hợp không có từ trường ngoài (H = 0), cấu hình giữa hai lớp từ là phản song song. Tuy nhiên, khi một electron với spin lên đi vào trong lớp sắt từ thứ hai, tự nó rơi vào tình huống đảo ngược hoàn toàn mà ở đó, các điều kiện bây giờ chính xác là giống như đối với electron với spin xuống trong lớp sắt từ đầu tiên. Như vậy, hạt với spin lên chịu một tổng trở là R* + R¯ . Hạt với spin xuống sẽ chịu ảnh hưởng theo cách tương tự (nhưng ngược lại) và trở kháng của nó sẽ là R¯ + R* . Do đó, tổng trở sẽ là R0 = (1/ 2)(R* + R¯ ). Sự khác biệt trở kháng giữa hai trường hợp (có từ trường và không có từ trường) là D R = RH – R0 = - (1/ 2)(R* - R¯ )2/ (R* + R¯ ). Sự khác biệt giữa R* và R¯ càng lớn thì từ trở âm càng lớn. Hiệu ứng từ trở sinh ra từ sự khác biệt về tính chất trở kháng của các electron với spin lên và các electron với spin xuống.

Do từ trở liên quan đến độ dẫn điện, rõ ràng là nó liên quan đến dáng điệu của các electron tại bề mặt Fermi (được xác định bởi năng lượng Fermi). Mật độ trạng thái (DOS) tại năng lượng Fermi càng bị phân cực spin, nghĩa là N* (EF) càng bị lệch khỏi N¯ (EF), người ta hi vọng hiệu quả của các hiệu ứng từ trở càng rõ rệt hơn. Vì thế, người ta quan tâm đến một lớp các vật liệu gọi là các bán kim – một khái niệm do Groot và cộng sự đưa ra. Một tính chất như thế sau đó đã được dự đoán bằng lý thuyết đối với CrO2 bởi Schwarz vào năm 1986. Tên bán kim có nguồn gốc từ đặc tính là vùng spin lên là kim loại trong khi vùng spin xuống là một điện môi. Điều này được chỉ ra bằng sơ đồ trên hình 6 và rõ ràng là có 100% sự phân cực spin tại mức Fermi. Dự đoán lý thuyết đối với CrO2 đã được thực nghiệm xác nhận.

Đối với một ba lớp của hai bán kim sắt từ với một lớp kim loại không từ nằm giữa chúng, có thể dễ dàng xác định cơ chế hoạt động của hiệu ứng GMR. Khi những hướng từ hóa của hai bán kim là song song với nhau, xuất hiện một dòng điện loại trừ các electron với spin xuống. Tuy nhiên, đối với những hướng từ hóa phản song song, kênh spin xuống sẽ khóa hoàn toàn đối với sự dẫn điện. Một từ trường mà nó có thể chuyển giữa hai cấu hình này sẽ sinh ra một sự thay đổi trở kháng lớn. Một từ trở tăng cường đối với bán kim CrO2 đã được xác nhận bằng thực nghiệm bởi Hwang và Cheong.

Các ứng dụng của GMR đã tạo ra một cuộc cách mạng trong các kỹ thuật tìm lại dữ liệu từ các đĩa cứng. Kỹ thuật điện tử thu nhỏ luôn luôn là một vấn đề thách thức trong thế giới công nghệ thông tin hiện nay. Việc bổ sung hàng năm vào thị trường của các máy tính ngày càng nhẹ hơn và mạnh hơn là một cái gì đó mà tất cả chúng ta coi như một điều dĩ nhiên. Đặc biệt là các đĩa cứng bị co lại. Một cái hộp kềnh càng ở dưới cái bàn của bạn sẽ sớm không còn nữa khi cùng một lượng dữ liệu cũng có thể dễ dàng được lưu trữ trong một máy tính nhỏ hơn. Gần đây, dung lượng lưu trữ cực đại của các đĩa cứng đạt tới terabyte (một nghìn tỷ byte). Thực tế là cuộc cách mạng công nghệ thông tin đang diễn ra trên thế giới phụ thuộc vào sự tác động qua lại phức tạp giữa tiến bộ khoa học cơ bản và điều chỉnh kỹ thuật tinh tế.

Hiệu ứng GMR được phát hiện nhờ các kỹ thuật mới trong những năm 1970 nhằm tạo ra các lớp rất mỏng các vật liệu khác nhau. Khi GMR hoạt động, có thể tạo ra các cấu trúc nano bao gồm các lớp chỉ có bề dày bằng một vài lớp nguyên tử. Các cấu trúc có kích thước nanomét thường có những tính chất vật liệu hoàn toàn mới không chỉ về tính chất từ và độ dẫn điện mà còn cả các tính chất cơ học, quang học và hóa học của vật liệu. Do đó, GMR cũng có thể xem như một trong các ứng dụng thực tế đầu tiên của lĩnh vực công nghệ nano đầy triển vọng đang diễn ra trên thế giới. Chính công nghệ nano đem lại các đầu đọc nhạy cho các đĩa cứng compăc.

Vào giữa những năm 1980, các nhà khoa học trong lĩnh vực nghiên cứu từ nhận ra những khả năng mới trong việc tạo ra các lớp có kích thước nanomét. Hai nhóm nghiên cứu của Albert Fert và Peter Grunberg độc lập với nhau phát hiện ra các vật liệu có từ trở rất lớn. Các vật liệu này được gọi là các đa lớp từ trong đó các kim loại sắt từ và không từ nằm xen kẽ với nhau (hình 8). Bề rộng của các lớp riêng có kích thước cỡ nanomét, nghĩa là có bề dày khoảng một vài lớp nguyên tử. Fert và các cộng sự phát hiện ra đa lớp ở dạng (Fe/Cr)n trong đó n có thể lên tới 60. Để dẫn tới thành công, họ buộc phải làm việc tại gần chân không và sử dụng các chất khí có áp suất rất thấp tương ứng của sắt và crom. Bằng cách làm như vậy, các nguyên tử dần dần tấn công lẫn nhau tới bề mặt và cho phép xây dựng các lớp có bề dày cỡ một vài lớp nguyên tử. Bằng cách tương tự, nhóm của Grunberg phát hiện ra hệ ba lớp Fe/Cr/Fe.

Một phần do Fert sử dụng nhiều lớp hơn nên ông thu được sự thay đổi từ trở lớn hơn so với Grunberg. Nhóm của Fert quan sát thấy một sự thay đổi trở kháng phụ thuộc vào sự từ hóa lên tới 50% trong khi nhóm của Grunberg quan sát thấy sự thay đổi này lớn nhất là 10%. Cụ thể hơn, các phép đo từ trở ở nhiệt độ rất thấp (4,2K) do nhóm của Fert thực hiện trên hệ đa lớp (Fe/Cr)n chỉ ra một sự giảm trở kháng lên tới 50% khi chịu tác dụng của từ trường trong khi các phép đo từ trở ở nhiệt độ thấp (nhiệt độ phòng) do nhóm của Grunberg thực hiện trên hệ ba lớp Fe/Cr/Fe với ba lớp sắt được tách ra bởi hai lớp crom chỉ ra một sự giảm trở kháng lớn nhất là 10%. Tuy nhiên, hiệu ứng cơ bản và hiện tượng vật lý là như nhau trong cả hai trường hợp. Cả hai nhóm nhận thấy rằng họ đã quan sát thấy một hiện tượng hoàn toàn mới. Đối với từ trở truyền thống, không có người nào ghi nhận được sự thay đổi trở kháng lớn hơn vài phần trăm. Fert là người đầu tiên đưa ra thuật ngữ “từ trở khổng lồ” để mô tả hiệu ứng mới và trong công trình đầu tiên của mình về vấn đề này, ông đã chỉ ra rằng phát minh từ trở khổng lồ có thể dẫn đến những ứng dụng quan trọng. Grunberg cũng nhận ra tiềm năng thực tế của hiện tượng mới và đăng ký xin cấp bằng phát minh về từ trở khổng lồ. Từ chính thời điểm phát hiện ra từ trở khổng lồ, lĩnh vực nghiên cứu từ đối với màng mỏng hoàn toàn chuyển hướng thành từ điện tử học (magnetoelectronics).

Tuy nhiên, để công nghệ mới được thương mại hóa cần phải tìm ra qui trình công nghệ mang tính công nghiệp để tạo ra các lớp. Kỹ thuật do Fert và Grunberg sử dụng (có tên gọi là epitaxi) là rất khó khăn, giá thành cao và chỉ phù hợp tốt với một phòng thí nghiệm nghiên cứu chứ không phải là một quá trình công nghệ trên quy mô lớn. Vì thế, bước quan trọng tiếp theo để thương mại hóa công nghệ GMR xảy ra khi Stuart Parkin – một người Anh làm việc ở Mỹ chứng minh rằng có thể đạt được hiệu ứng GMR bằng cách sử dụng một công nghệ đơn giản hơn nhiều gọi là sự phún xạ. Hiệu ứng GMR thực tế không phụ thuộc vào các lớp rất hoàn hảo. Điều này có nghĩa là các hệ GMR bây giờ có thể được tạo ra trong một quá trình công nghiệp. Quá trình công nghiệp kết hợp với độ nhạy cao của các đầu GMR làm cho công nghệ mới trở thành công nghệ tiêu chuẩn trong các đĩa cứng rất nhanh chóng sau khi đầu GMR thương mại đầu tiên được sản xuất năm 1997.

Phát minh GMR cũng đóng một vai trò chính trong các bộ cảm biến từ khác nhau cũng như đối với sự phát triển của một thế hệ mới trong điện tử học hay khoa học nghiên cứu điện tử (electronics). GMR không chỉ là một bước đột phá đối với việc đọc thông tin xếp chặt từ các đĩa cứng (và đối với các bộ cảm biến từ trong các ứng dụng khác). Điều lý thú không kém là công nghệ mới có thể được coi như bước đầu tiên trong sự phát triển của loại điện tử học hoàn toàn mới gọi là khoa học nghiên cứu spin (spintronics). Spintronics nghiên cứu sử dụng spin của electron chứ không chỉ điện tích electron như trong điện tử học truyền thống. Một điều kiện tiên quyết chung của spintronics được cung cấp bởi các kích thước nhỏ do công nghệ nano tạo ra. Hướng của spin electron chỉ có thể được duy trì qua các khoảng cách rất ngắn. Trong các lớp dày hơn, hướng của spin sẽ thay đổi trước khi có thời gian để sử dụng các tính chất riêng rẽ của các electron với spin khác nhau (giống như trở kháng cao hơn hoặc thấp hơn).

Theo sau GMR, người ta xây dựng một hệ tương tự khi sử dụng một vật liệu cách điện thay cho kim loại không từ nằm giữa hai lớp kim loại từ. Không có dòng điện nào có thể đi qua lớp cách điện nhưng nếu lớp cách điện đủ mỏng cỡ một vài lớp nguyên tử thì các electron có thể đi qua nó khi sử dụng một hiệu ứng cơ học lượng tử gọi là hiệu ứng xuyên hầm (tunnen)(hình 10). Do đó, hệ mới này được gọi là từ trở xuyên hầm (TMR). Theo cách này, dòng điện có thể đi qua một đa lớp gồm các lớp kim loại và điện môi nằm xen kẽ với nhau. Công trình đầu tiên về một hệ như thế là công trình của Julliere. Công trình này được thực hiện đối với một lớp chuyển tiếp ba lớp Fe/ Ge vô định hình/ Co. Các thực nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ thấp và tạo ra một sự thay đổi trở kháng lên tới 14%. Nhờ TMR, có thể tạo ra một sự khác biệt trở kháng thậm chí lớn hơn bởi những từ trường rất yếu và thế hệ mới nhất của các đầu đọc sử dụng công nghệ này.

Công trình tiếp theo về TMR do Maekawa và Gafvert thực hiện trên lớp chuyển tiếp Ni/ NiO/chất sắt từ (chất sắt từ là Fe, Co và Ni). Họ phát hiện sự thay đổi từ trở cỡ một vài phần trăm ở các nhiệt độ thấp. Hai công trình nói trên không được thông báo trong một thời gian dài. Thực tế là chỉ sau phát minh của Fert và Grunberg, người ta mới quan tâm trở lại các loại hệ này. Một bước tiến quan trọng xảy ra năm 1995. Nhóm của Moodera đã đo được các lớp xuyên hầm trên hệ CoFe/Al2O3/ Co (hoặc NiFe) và phát hiện thấy những thay đổi trở kháng là 24% tại 4,2K và 12% tại nhiệt độ phòng. Tương tự, Miyazawa và Tesuka sử dụng hệ Fe/Al2O3/ Fe và phát hiện những thay đổi trở kháng tương ứng là 30% và 18% tương ứng ở 4,2K và nhiệt độ phòng. Hiện nay, nói chung có thể tìm thấy những thay đổi cỡ 50% ở nhiệt độ phòng. Gần đây, hệ Fe/MgO/Fe có thể đạt tới các giá trị TMR vượt quá 200%.

Một ứng dụng khác của spintronics mà nó cũng bắt đầu nổi lên là một bộ nhớ hoạt động từ gọi là MRAM. Để bổ sung cho đĩa cứng mà ở đó thông tin được lưu trữ một cách vĩnh cửu, các máy tính cần một bộ nhớ làm việc nhanh hơn. Người ta thường gọi nó là RAM (Random Access Memory), nghĩa là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên. Máy tính lưu trữ toàn bộ thông tin cần thiết trong RAM của nó để có thể xử lý thông tin trong lúc nó đang làm việc. Nhược điểm của các bộ nhớ hoạt động chuẩn trong sử dụng hiện nay là ở chỗ chúng không thể lưu trữ bất kỳ thông tin nào một cách vĩnh cửu. Khi có văn bản này, nó chỉ được lưu trữ trong RAM của máy tính. Nếu ngắt nguồn điện hoặc một ai đó tắt máy tính mà không lưu trữ, văn bản không còn nữa. Chỉ bằng cách bấm núm “lưu trữ (save)” thì văn bản mới được lưu trữ an toàn trên đĩa cứng.

Giá trị của MRAM là ở chỗ có thể sử dụng TMR cả để đọc và để ghi thông tin và bằng cách đó tạo ra một bộ nhớ máy tính từ nhanh và có thể dễ dàng truy cập. Do đó, MRAM có thể được sử dụng như một bộ nhớ hoạt động trái với đĩa cứng chậm hơn nhưng nó cũng là một bộ nhớ vĩnh cửu không phụ thuộc vào nguồn điện. Điều đó có nghĩa là có thể phát triển MRAM thành một bộ nhớ vạn năng thay thế cho RAM truyền thống và đĩa cứng. Tính compăc của một hệ như thế có thể được chứng minh là đặc biệt có ích trong các hệ máy tính gắn vào nhỏ, nghĩa là trong mọi cái từ các lò nhà bếp đến các ôtô tải.

Phát minh hiệu ứng GMR đối với các đa lớp từ làm nảy sinh mối quan tâm ngày càng lớn về việc tìm kiếm các hiệu ứng có liên quan trong số các vật liệu khối. Nhóm của von Helmolt phát hiện các hiệu ứng từ trở thậm chí lớn hơn GMR trong các peropskit mangan. Các vật liệu này đôi khi được xem như là các hệ hóa trị hỗn hợp. Jin và cộng sự cũng phát hiện ra các hiệu ứng này. Các hiệu ứng quan sát được nói trên cũng gọi là từ trở khổng lồ (CMR)(Colossal magnetoresistance). Các hệ đặc biệt này thể hiện các tính chất khác thường rất phong phú mà ở đó, các tương quan electron đóng một vai trò rất quan trọng. Tuy nhiên, không chắc là chúng sẽ trở thành mối quan tâm công nghệ chủ yếu vì các từ trường đòi hỏi rất cao.

Ở đây chúng tôi chỉ đề cập một ít trong một số rất lớn các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau mà chúng thể hiện các hướng nghiên cứu gần đây hơn liên quan đến các vật liệu spin và các ứng dụng của chúng. Chẳng hạn như các chất bán dẫn từ. Nhóm của Ohno đã chỉ ra tiềm năng của các vật liệu này khi sử dụng các chất bán dẫn (Ga, Mn)As. Một lĩnh vực nghiên cứu khác liên quan đến phun spin từ công trình của Johnson trên các hệ kim loại. Sự phun spin từ một chất sắt từ kim loại vào trong một chất bán dẫn đã được thực hiện thành công bởi Zhu và cộng sự và Hanbicki và cộng sự khi sử dụng Fe và GaAs. Sự phun spin từ một chất bán dẫn từ đến một chất bán dẫn không từ do nhóm của Ohno và nhóm của Fiederling thực hiện. Câu hỏi về việc làm thế nào để các electron phân cực spin có thể đi vào một vật liệu trong lúc duy trì sự phân cực spin của chúng là một câu hỏi rất quan trọng.

Phát minh hiệu ứng GMR là cái mở cánh cửa đi vào một lĩnh vực công nghệ hoàn toàn mới là magnetoelectonics (hay spintronics) trong đó sử dụng đến cả spin và điện tích của electron. Công nghệ nano là một điều kiện tiên quyết cho phát minh GMR. Spintronics đến lượt nó là lực đẩy cho các ứng dụng mới của công nghệ nano. Lĩnh vực nghiên cứu này là một ví dụ rõ ràng khác thường về việc làm cách nào để khoa học cơ bản và công nghệ mới đan xen vào nhau và tăng cường lẫn nhau.

Phát minh GMR ngay lập tức mở cánh cửa dẫn đến sự phong phú của các khả năng khoa học và công nghệ mới trong đó bao hàm ảnh hưởng rất lớn đến kỹ thuật lưu trữ dữ liệu và các bộ cảm biến từ. Hàng nghìn nhà khoa học trên thế giới hiện nay đang nghiên cứu về các hiện tượng từ điện tử học. Câu chuyện về hiệu ứng GMR là một chứng minh rất tốt về việc làm thế nào để một phát minh khoa học hoàn toàn bất ngờ có thể sinh ra các công nghệ và các sản phẩm thương mại hoàn toàn mới.



PGS.TS Nguyễn Quang Học
Nguồn phys.hnue.edu.vn
 
Nobel Vật lí 2005

Giải Nobel Vật lý năm 2005 được trao cho công dân Mỹ Roy J. Glauber tại Đại học Harvard (Cambridge, bang Massachusetts, Mỹ) “do đóng góp của ông cho lý thuyết lượng tử của sự kết hợp quang”, công dân Mỹ John L. Hall tại Viện Liên hợp thí nghiệm Vật lý thiên văn (JILA), Đại học Colorado và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST)(Boulder, bang Colorado, Mỹ) và công dân Đức Theodor W. Hansch tại Viện Quang lượng tử Max Planck (Garching, Đức) và Đại học Ludwid-Maximilians (LMU)(Munich, Đức) “do đóng góp của họ (Hall và Hansch) cho sự phát triển nghiên cứu phổ chính xác trên cơ sở laze trong đó có kỹ thuật lược tần số quang (optical frequency comb technique)”.

Giải Nobel Vật lý năm 2005 được trao cho ba nhà khoa học trong lĩnh vực quang học. Giải được trao cho công trình mô tả rõ nét ánh sáng laze và ứng dụng của nó vào những phép đo chính xác. Roy Glauber được trao tặng một nửa Giải thưởng do mô tả lý thuyết của ông về dáng điệu của các hạt ánh sáng. Ông đã thiết lập cơ sở của Quang lượng tử trong đó lý tbuyết lượng tử bao hàm trường của quang học. Ông có thể giải thích những khác biệt cơ bản giữa các nguồn nóng của ánh sáng chẳng hạn như các bóng đèn phát sáng với sự trộn của các tần số và pha và các laze mà chúng tạo ra một tần số và pha riêng. John Hall và Theodor Hansch được trao tặng một nửa Giải thưởng do sự phát triển của họ về nghiên cứu phổ chính xác trên cơ sở laze nghĩa là xác định màu sắc ánh sáng của các nguyên tử và phân tử với độ chính xác cực kỳ cao. Những đóng góp của hai ông tạo ra khả năng đo được các tần số với độ chính xác tới 15 con số sau dấu phẩy. Bây giờ người ta có thể tạo ra các laze với các màu sắc cực kỳ rõ nét và hiểu rõ bản chất của ánh sáng với tất cả các màu sắc nhờ kỹ thuật lược tần số. Kỹ thuật này tạo ra khả năng tiến hành các nghiên cứu chẳng hạn như sự ổn định của các hằng số của tự nhiên qua thời gian, phát triển các đồng hồ siêu chính xác và cải thiện hệ thống thông tin và liên lạc toàn cầu.

R.J.Glauber sinh năm 1921 tại New York (Mỹ), bảo vệ luận án tiến sĩ Vật lý năm 1949 tại Đại học Harvard và hiện nay là giáo sư Vật lý Mallinckrodt tại Đại học Harvard. Nghiên cứu gần đây của ông liên quan đến một số vấn đề trong quang lượng tử như các tương tác điện động lực lượng tử của ánh sáng và vật chất. Ông còn tiếp tục nghiên cứu một số đề tài trong lý thuyết va chạm năng lượng cao trong đó có phân tích các va chạm và tương quan thống kê của các hạt sinh ra trong các phản ứng năng lượng cao. Các chủ đề riêng trong nghiên cứu hiện nay của ông bao gồm dáng điệu cơ học lượng tử của các gói ion bị bẫy; tương tác của ánh sáng với các ion bị bẫy; các phương pháp đại số liên quan đến thống kê fecmion; các tương quan kết hợp của các nguyên tử bozon gần sự ngưng kết Bose-Einstein,… Ông bát đầu nghiên cứu về quang lượng tử từ năm 1955.

J.L.Hall sinh năm 1934 tại Denver (Mỹ), bảo vệ luận án tiến sĩ Vật lý tại Viện Công nghệ Carnegie ở Pittsburgh năm 1961 và hiện nay là nhà khoa học cao cấp tại NIST và thành viên của JILA thuộc Đại học Colorado ở Boulder. Ông tốt nghiệp đại học năm 1956, bảo vệ luận án thạc sĩ năm 1958 và bảo vệ luận án tién sĩ năm 1961 đều từ Viện Công nghệ Carnegie. Hall thực tập sau tiến sĩ (1961-1962) và là nhà vật lý(1962-1971) đều tại Cục Tiêu chuẩn Quốc gia. Từ năm 1964 đến nay, ông là cộng tác viên của Viện Liên hợp thí nghiệm vật lý thiên văn (JILA). Từ năm 1967 đến nay, ông là giảng viên tại khoa Vật lý của Đại học Colorado. Từ năm 1971 đến nay, ông là nhà khoa học cao cáp Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST). Ngoài Giải Nobel Vật lý năm 2005, ông đã được trao tặng nhiều giải thưởng và danh hiệu khác như Huy chương Vàng của Bộ Thương mại (1969, 1974, 2002), Giải thưởng Samuel W. Stratton (1971), Giải thưởng E.U.Condon (1979), Giải thưởng C.H.Townes (1984) của Hội Quang học Mỹ, Giải thưởng Davisson-Germer (1988) của Hội Vật lý Mỹ, Tiến sĩ danh dự (198) của Đại học Paris Nord, Huy chương Frederic Ives (1991) của Hội Quang học Mỹ, Giải thưởng Arthur V. Shawlow (1993) của Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng Khoa học đo lường Allen V. Astin (2000), Giải thưởng Max Born (2002) của Hội Quang học Mỹ, Giải thưởng Nhà nước (2002) từ Bộ Nội vụ, Bắc đẩu bội tinh (2004) và Giải thưởng I.I.Rabi (2004) của Hội IEEE. Bộ ổn định laze và mét theo bước sóng laze của ông được lựa chọn là một trong “100 sản phẩm tốt nhất của năm” (1975, 1977). Hall là hội viên Hội Vật lý Mỹ và Hội Quang học Mỹ, thành viên Ủy ban VII của Hiệp hội Quốc tế về khoa học vô tuyến, đại biểu Hội đồng tư vấn về định nghĩa của mét tại Sevres (Pháp) từ năm 1970 đến nay, thành viên Hội đồng kiểm tra đánh giá của Cơ quan nghiên cứu quân đội (1976-1979), thành viên Hội đồng nghiên cứu Quốc gia về các hằng số cơ bản (1976-1979), thành viên Hội đồng chương trình cho Hội nghị Quốc tế về điện tử lượng tử (1978,1996) và Hội nghị CLEO/QELS (1996). Hall là viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học từ năm 1984 đến nay. Những nghiên cứu hiện nay thuộc lĩnh vực vật lý nguyên tử và phân tử và phép đo chính xác và bao gồm sự ổn định laze và các kỹ thuật quét chính xác khi sử dụng phép đo giao thoa và các kỹ thuật heterođyn, sự ổn định biên độ gần mức “nhiễu đạn photon (photon shot noise)” với các phương pháp điện quang cổ điển và các chùm “nén *(squeezed)” của mức dưới nhiễu đạn (sub-shot-noise) hay của các photon có tương quan sinh ra trong các tương tác phi tuyến. Ông quan tâm đến các phương pháp sóng liên tục ứng dụng cho các anten sóng hấp dẫn và phép đo khúc xạ kép của chân không bị cảm ứng từ. Các đồng hồ nguyên tử quang trên cơ sở “vòi phun nguyên tử (atomic fountain)” stronti sẽ cho phép xác định với độ phân giải rất cao đối với các bề rộng vạch < 10 Hz. Một sự bố trí dò biến điệu mới cho phép nghiên cứu phổ phi tuyến mà nó cho độ nhạy cực kỳ cao (sự hấp thụ < 10-12) khi sử dụng các chuyển tiếp quá âm (overtone) phân tử trong vùng gần hồng ngoại.

T.W.Hansch sinh năm 1941 tại Heidelberg (Đức), bảo vệ tiến sĩ Vật lý tại Đại học Heidelberg năm 1969 và từ năm 1986 đến nay ông là giám đốc Viện Quang lượng tử Max Planck ở Garching và giáo sư Vật lý tại LMU. Năm 1970 ông được NATO tài trợ để nghiên cứu quang phổ laze tại Đại học Stanford (Mỹ). Năm 1975 ông trở thành giáo sư của trường này. Năm 1985 Hansch trở về Đức và làm việc tại Viện Quang lượng tử Max Planck và giảng dạy tại khoa Vât lý của LMU. Ông đã được trao tặng Giải thưởng Otto Hahn (2005) và Giải thưởng Frederic Ives (2005) của Hội Quang học Mỹ. Hansch còn được trao tặng Giải thưởng Gottfried Wilhelm Leibniz của Hiệp hội nghiên cứu Đức, Giải thưởng Philip Morris, Huy chương Danh dự hạng Nhất của Nhà nước Đức và Huy chương Khoa học và Nghệ thuật Bavarian Maximilian. Hansch là người thứ 13 của LMU được trao Giải Nobel và ông được xếp ngang hàng với các nhà vật lý nổi tiếng của LMU như Wilhelm Contrad Rontgen, Wilhelm Wien, Max von Laue, Werner Heisenberg và Gerd Binnig.

Chúng ta có được phần lớn hiểu biết của mình về thế giới xung quanh chúng ta nhờ ánh sáng mà nó bao gồm các sóng điện từ. Nhờ có ánh sáng, chúng ta có thể tự định hướng trong cuộc sống hàng ngày của mình hoặc quan sát thấy hầu hết các thiên hà xa xôi trong vũ trụ. Quang học trở thành công cụ của nhà vật lý để xem xét các hiện tượng ánh sáng. Nhưng ánh sáng là gì và các loại ánh sáng khác nhau như thế nào? Làm thế nào để phân biệt ánh sáng phát ra từ một ngọn nến và chùm sáng phát ra một nguồn laze? Theo Albert Einstein, vận tốc ánh sáng trong chân không là một hằng số. Có thể sử dụng ánh sáng để đo thời gian với độ chính xác cao hơn so với các đồng hồ nguyên tử hiện nay được không? Các nhà khoa học đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2005 có thể giải đáp các câu hỏi nói trên.

Vào cuối thế kỷ XIX, các nhà khoa học tin tưởng rằng các hiện tượng điện từ có thể giải thích được bằng lý thuyết của nhà vật lý người Xcốtlen James Clerk Maxwell trong đó ông quan niệm ánh sáng như là các sóng. Nhưng một vấn đề không mong muốn nảy sinh khi người ta cố gắng hiểu bức xạ phát ra từ các vật cháy sáng chẳng hạn như Mặt Trời. Sự phân bố về độ đậm nhạt của màu sắc không phù hợp với các lý thuyết được phát triển dựa trên cơ sở lý thuyết Maxwell. Lượng bức xạ tím và cực tím phát ra từ Mặt Trời xác định được từ các lý thuyết đó cao hơn nhiều so với lượng bức xạ thu được trong thực tế.

Max Planck (đoạt Giải Nobel Vật lý năm 1918) đã giải quyết được sự không phù hợp nói trên khi tìm ra một công thức hoàn toàn thỏa mãn sự phân bố phổ thực nghiệm. Planck mô tả sự phân bố phổ như là kết quả của trạng thái dao động bên trong của vật bị nung nóng. Ở một trong các công trình nổi tiếng của mình vào năm 1905, Einstein cho rằng năng lượng ánh sáng cũng bức xạ theo các gói năng lượng riêng biệt gọi là các lượng tử. Khi một gói năng lượng kiểu này tiến đến bề mặt của một kim loại, năng lượng của nó được truyền cho một electron và electron này thoát ra khỏi vật liệu. Đó chính là hiệu ứng quang điện. Nhờ giải thích được hiệu ứng này, Einstein được trao tặng Giải Nobel vật lý năm 1921.

Giả thuyết của Einstein có nghĩa là một gói năng lượng đơn giản sau đó gọi là một photon sẽ cung cấp toàn bộ năng lượng của nó cho một electron. Do đó, chúng ta có thể đếm được các lượng tử trong bức xạ bằng cách quan sát và đếm số các electron nghĩa là có một dòng điện đi ra khỏi bề mặt kim loại. Hầu hết các bộ dò ánh sáng sau này đều dựa trên hiệu ứng đó.

Khi các nhà khoa học phát triển lý thuyết lượng tử vào những năm 20 của thế kỷ trước, nó gặp phải những khó khăn ở dạng của các biểu thức vô hạn và vô nghĩa. Vấn đề này không được giải quyết cho đến sau chiến tranh thế giới lần thứ II khi Tomonaga, Schwinger và Feynman (đoạt Giải Nobel Vật lý năm 1965) phát triển điện động lực lượng tử (QED). Lý thuyết này trở thành lý thuyết chính xác nhất trong vật lý và là trung tâm cho sự phát triển vật lý hạt cơ bản. Tuy nhiên, lúc đầu người ta cho rằng không cần thiết phải áp dụng QED cho ánh sáng nhìn thấy. Ánh sáng nhìn thấy được nghiên cứu như là một chuyển động sóng thông thường với một số các biến đổi ngẫu nhên về cường độ. Một sự mô tả lý thuyết lượng tử chi tiết được xem là không cần thiết.

Cho đến khi phát triển laze và các thiết bị tương tự, phần lớn các hiện tượng ánh sáng có thể được giải thích bằng lý thuyết cổ điển của Maxwell. Một ví dụ được chỉ ra trên hình 1a trong đó ánh sáng đi qua hai khe hở tạo ra một hình ảnh tuần hoàn của cường độ trên một màn chắn. Nếu ánh sáng chỉ có một bước sóng (nghĩa là ánh sáng kết hợp), cường độ của nó nói chung bằng không ở các điểm cực tiểu của hình ảnh cường độ.

Cần một sự mô tả thực tế hơn khi xem xét ánh sáng phát ra từ một bóng đèn. Các sóng ánh sáng trong trường hợp này có tần số, bước sóng và pha khác nhau. Chúng ta nhận thấy nguồn sáng như bị ảnh hưởng bởi một nhiễu ngẫu nhiên. Ánh sáng không kết hợp này có thể được mô tả như trên hình 2b. Do đó, sự không két hợp làm cho hình ảnh giao thoa trên hình 1a ít khác biệt hơn.

Trước đây, phần lớn các nguồn ánh sáng dựa trên cơ sở sự bức xạ nhiệt và cần phải có những cách sắp đặt đặc biệt để quan sát thấy hình ảnh giao thoa. Điều này thay đổi khi sử dụng laze với ánh sáng kết hợp hoàn toàn. Laze vào những năm 60 của thế kỷ trước đã cung cấp cho chúng ta nguồn ánh sáng đặc trưng. Ánh sáng laze là đơn sắc và có thể mang năng lượng cao. Nó có màu sắc xác định và sự lệch pha không đổi theo thời gian và trong không gian. Các nguồn sáng khác phát ra ánh sáng “không thuần khiết” theo nhiều cách khác nhau. Trong khi đó, nguồn sáng laze là nguồn sáng “thuần khiết”. Những tính chất đặc trưng của laze rất khó hoặc không thể đạt được bằng cách khác khác ngoài việc sử dụng laze. Những tính chất này mở ra khả năng rất lớn cho những phép đo chính xác và những quan sát. Chính vì thế mà laze có rất nhiều ứng dụng chẳng hạn như các ứng dụng trong y học, thu và phát đĩa CD, DVD hoặc các phòng nghiên cứu. Tuy nhiên, để thiết kế những thí nghiệm khác nhau với sự tham gia của laze cần phải hiểu biết rõ về ánh sáng đồng pha. Nhà khoa học Roy J. Glauber đã đề nghị sử dụng thuyết lượng tử để mô tả ánh sáng laze.

Từ công nghệ vô tuyến, người ta đã biết rõ bức xạ với một tần số và pha xác định. Nhưng thực là khó hiểu néu coi ánh sáng từ một nguồn sáng nhiệt như là một chuyển động sóng. Có vẻ dễ dàng hơn nếu mô tả sự hỗn độn bắt nguồn từ nó như là các photon phân bố một cách ngẫu nhiên.

Roy J. Glauber có những công trình nghiên cứu tiên phong khi áp dụng vật lý lượng tử cho các hiện tượng quang học. Năm 1963 ông đã thông báo các kết quả nghiên cứu của mình trong đó ông đã phát triển một phương pháp nhằm sử dụng sự lượng tử hóa điện từ để hiểu các kết quả quan sát quang học. Ông đã đưa ra một sự mô tả phù hợp đối với sự dò quang điện (photoelectric detection) nhờ lý thuyết trường lượng tử. Về sau, ông đã chứng minh rằng “sự bó (bunching)” mà R. Hambury Brown và R. Twiss phát hiện ra là một hệ quả tự nhiên từ bản chất ngẫu nhiên của bức xạ nhiệt. Một chùm laze kết hợp hoàn toàn không hề biểu thị cùng một hiệu ứng.

Nhưng làm cách nào để một dòng của các photon gồm các hạt độc lập sinh ra hình ảnh giao thoa? Ở đây chúng ta có một ví dụ về bản chất hai mặt của ánh sáng. Năng lượng điện từ được phát ra trong các hình ảnh giao thoa xác định bởi quang học cổ điển. Những phân bố năng lượng theo kiểu này tạo thành cảnh quan mà các photon có thể được đưa vào trong đó. Chúng là những cá thể tách rời nhưng chúng cần phải đi theo những con dường do quang học chỉ ra. Điều này giải thích thuật ngữ “quang học lượng tử”. Đối với các cường độ ánh sáng thấp, trạng thái sẽ được mô tả chỉ bởi một ít photon. Các quan sát hạt riêng sẽ xây dựng lên các hình ảnh của quang học sau khi quan sát được một số lượng đủ các quang điện tử. Thay vì như trên hình 1a, vật lý lượng tử sẽ mô tả hình ảnh giao thoa như trên hình 1b.

Một đặc tính cơ bản của sự mô tả lượng tử lý thuyết đối với các quan sát quang học là ở chỗ khi quan sát thấy một quang điện tử, một photon bị hấp thụ và trạng thái của trường photon bị thay đổi. Khi một số bộ dò có tương quan với nhau, hệ sẽ trở nên nhạy với các hiệu ứng lượng tử và các hiệu ứng này thể hiện rõ rệt hơn nếu chỉ có một ít photon có mặt ở trong trường. Sau đó, người ta đã thực hiện các thực nghiệm bao gồm một vài bộ dò quang và chúng hoàn toàn thoả mãn lý thuyết của Glauber.

Công trình nghiên cứu năm 1963 của Glauber đã đặt cơ sở cho những phát triển tương lai trong lĩnh vực mới là quang lượng tử. Một điều sớm trở nên rõ ràng là những phát triển kỹ thuật làm cho quang lượng tử cần phải sử dụng sự mô tả lượng tử mới đối với các hiện tượng.

Một hiệu ứng có thể quan sát được về bản chất lượng tử của ánh sáng là sự đối lập của “sự bó” đã đề cập trên đây mà các photon thể hiện. Nó được gọi là “sự phản bó (anti-bunching)”. Thực tế là trong một số trường hợp, các photon tạo thành trong các cặp không thường xuyên hơn như trong một tín hiệu ngẫu nhiên thuần túy. Các photon như thế xuất phát từ một trạng thái lượng tử mà nó không thể được mô tả theo bất kỳ cách nào bằng các sóng cổ điển. Điều này là do một quá trình lượng tử có thể sinh ra một trạng thái trong đó các photon được tách biệt rõ rệt và điều đó ngược lại với các két quả của một quá trình ngẫu nhiên thuần túy.

Các hiệu ứng lượng tử thường có rất ít ứng dụng kỹ thuât. Trạng thái trường được lựa chọn sao cho nó có thể đưa ra các tính chất biên độ và pha định rõ. Trong các phép đo phòng thí nghiệm, sự bất định của vật lý lượng tử hiếm khi thiết lập giới hạn. Nhưng sự bất định mặc dù tồn tại nhưng nó xuất hiện như một biến đổi ngẫu nhiên trong các quan sát. “Sự nhiễu lượng tử” này thiết lập giới hạn cơ bản đối với độ chính xác của các quan sát quang học. Trong các phép đo tần số với độ phân giải cao, các bộ khuếch đại lượng tử và các chuẩn tần số, sự nhiễu này cuối cùng chỉ do bản chất lượng tử của ánh sáng mà nó thiết lập một giới hạn của độ chính xác mà các dụng cụ thí nghiệm của chúng ta có thể đạt được.

Hiểu biết của chúng ta về các trạng thái lượng tử cũng có thể được sử dụng một cách trực tiếp. Chúng ta có thể đạt được các ứng dụng kỹ thuật hoàn toàn mới của các hiện tượng lượng tử chẳng hạn như bảo vệ an toàn các thông điệp trong công nghệ viễn thông và xử lý thông tin.

Lịch sử chứng minh rằng các nhà khoa học phát hiện ra các hiện tượng và cấu trúc mới sau khi nâng cao độ chính xác của phép đo. Một ví dụ tuyệt vời là nghiên cứu phổ nguyên tử mà nó nghiên cứu cấu trúc của các mức năng lượng trong các nguyên tử. Việc nâng cao độ phân giải đem lại cho chúng ta một sự hiểu biết sâu sắc hơn cả cấu trúc tế vi của nguyên tử lẫn tính chất của hạt nhân nguyên tử. Quang phổ mà trường hợp đặc biệt là quang phổ laze cho phép quan sát đối tượng dựa trên cơ sở ánh sáng phát ra hoặc phản xạ từ đối tượng đó. Đôi khi, đó là cách duy nhất để tìm hiểu đối tượng nhất là khi đối tượng ở quá xa chẳng hạn như các thiên hà hoặc đối tượng quá nhỏ bé chẳng hạn như các nguyên tử. Sự phát triển của quang phổ laze kéo theo sự phát triển của các ngành khoa học khác thậm chí sinh ra một số ngành mới chẳng hạn như ngành tin học lượng tử.

John L. Hall và Theodor W. Hansch đã tiến hành nghiên cứu phổ chính xác trên cơ sở laze trong đó đặc biệt là kỹ thuật lược tần số quang. Tiến bộ tạo ra trong lĩnh vực khoa học này có thể đem lại cho chúng ta sự không tưởng trước đây về khả năng nghiên cứu các hằng số của tự nhiên, phát hiện sự khác biệt giữa vật chất và phản vật chất và đo được thời gian với độ chính xác không thể vượt qua được. Những kỹ thuật laze chính xác sẽ cải thiện đáng kể hệ thống thông tin liên lạc và định vị toàn cầu. Điều quan trọng hơn cả là nhờ những phép đo chính xác cao mà chúng ta có nhiều thông tin cơ bản về cấu trúc của thế giới. Chẳng hạn chúng ta có thể chụp ảnh từng nguyên tử với độ chính xác rất cao và điều đó có ý nghĩa rất lớn trong việc tìm hiểu bí mật của chúng. Độ nét của những bức ảnh như vậy có thể đạt được nhờ vào việc gửi đi những xung cực ngắn. Điều đó giúp cho chúng ta có thể ghi lại từng giai đoạn của những phản ứng phức tạp xảy ra trong những khoảng thời gian cực ngắn. Gần đây Hall và Hansch còn khởi động được chiếc đồng hồ laze và nhờ đó họ có trong tay một dụng cụ đo lường rất chính xác. Nghiên cứu phổ chính xác dã được phát triển khi Hall và Hansch cố gắng giải quyết một số vấn đề khá tường minh và dễ hiểu dưới đây.

Vấn đề xác định chiều dài chính xác của 1 mét minh họa một trong các thách thức do nghiên cứu phổ laze đề xuất. Hội nghị thế giới về cân đo mà nó có quyền quyết định về các định nghĩa chính xác từ năm 1889 đã từ bỏ thanh đo bằng vật liệu tinh khiết vào năm 1960.

Bằng cách sử dụng các phép đo phổ, định nghĩa của mét trên cơ sở nguyên tử được đưa ra như sau:1 mét được định nghĩa như là một số bước sóng nhất định của một vạch phổ nhất định trong khí trơ krypon. Một vài năm sau, người ta đua ra định nghĩa của giây cũng trên cơ sở nguyên tử như sau: 1 giây là thời gian của một số dao động nhất định với tần số cộng hưởng của một sự chuyển tiếp riêng trong xesi. Thời gian này được xác định bởi các đồng hồ nguyên tử trên cơ sở xesi. Các định nghĩa nói trên tạo ra khả năng xác định vận tốc ánh sáng như là tích của bước sóng và tần số.

John Hall là một gương mặt hàng đầu trong các nỗ lực đo vận tốc ánh sáng bằng cách sử dụng các laze với sự ổn định tần số cực kỳ cao. Tuy nhiên, độ chính xác của phép đo vận tốc ánh sáng bị giới hạn bởi định nghĩa của mét trên đây. Do đó, năm 1983 vận tốc ánh sáng được xác định chính xác là 299792458 m/ s và giá rị này phù hợp với các phép đo tốt nhất. Vì thế, 1 mét là khoảng cách mà ánh sáng đi được trong 1/ 299 792 458 s.

Tuy nhiên, việc đo các tần số quang khoảng chừng 1015Hz là cực khó do đồng hồ xesi có các dao động thấp hơn khoảng 105lần. Người ta sử dụng một dãy dài gồm các laze có độ ổn định cao và các nguồn vi sóng để khắc phục vấn đề này. Việc sử dụng định nghĩa mới của mét trong thực tế ở dạng của các bước sóng chính xác còn là một vấn đề khó giải quyết và xuất hiện một nhu cầu hiển nhiên về việc cần có một phương pháp đơn giản hóa để đo tần số.

Song song với các sự kiện này là sự phát triển nhanh chóng của laze như là một thiết bị nghiên cứu phổ phổ biến. Người ta đã phát triển các phương pháp nhằm loại trừ hiệu ứng Doppler vì nếu không nó sẽ dẫn đến các đỉnh rộng hơn và nhận dạng kém ở trong phổ. Năm 1981 N. Bloembergen và A.L.Schawlow đã được trao tặng Giải Nobel Vật lý do đóng góp của họ cho sự phát triển của nghiên cứu phổ laze. Điều này trở nên đặc biệt lý thú vì có thể đạt được mức độ chính xác cực cao và cho phép giải quyết các câu hỏi cơ bản liên quan đến bản chất của thực tế. Hall và Hansch mở đầu cho quá trình này thông qua việc phát triển các hệ laze có sự ổn định tần số cực cao và các kỹ thuật đo hiện đại. Điều đó có thể làm sâu sắc hơn sự hiểu biết của chúng ta về các tính chất của vật chất, không gian và thời gian.

Việc đo các tần số với độ chính xác cực cao đòi hỏi một laze mà nó phát ra một số lớn các dao động tần số kết hợp. Nếu các dao động với tần số khác nhau một chút như thế được liên kết đồng thời với nhau, chúng ta sẽ có các xung cực ngắn sinh ra bởi sự giao thoa. Tuy nhiên, điều này chỉ xảy ra nếu các dạng dao động (mốt (mode)) khác nhau bị khóa lại với nhau trong cái gọi là sự khóa mốt (mode-locking) (xem hình 3). Các dao động có thể bị khóa càng khác nhau thì các xung càng ngắn. Một xung dài 5 fs (fs là femto giây và 1 fs = 10-15s tức là 1 fs bằng một phần triệu tỷ của 1 giây) khóa khoảng một triệu tần số khác nhau mà nó cần để bao trùm một phần lớn khoảng tần số ánh sáng nhìn thấy. Hiện nay, điều này có thể đạt được trong môi trường laze chẳng hạn như thuốc nhuộm (dye) hay tinh thể sa phia pha tạp titan. Một “quả bóng ánh sáng (ball of light)” nhỏ nảy giữa các gương trong laze sinh ra do một số lớn các mốt tần số sắc nhọn và phân bố bằng phẳng luôn luôn chiếu sáng! Một ít ánh sáng được giải phóng ra như một đoàn tàu (train) của các xung laze đi qua gương trong suốt một phần ở một đầu. Do các laze tạo xung cũng phát ra các tần số cao, chúng có thể được sử dụng cho nghiên cứu phổ laze có độ phân giải cao. Hansch đã làm cho điều đó trở thành hiện thực từ cuối những năm 70 của thế kỷ XX và ông cũng thành công trong việc chứng minh nó bằng thực ghiệm. V.P.Chebotayev ở Novosibirsk (mất năm 1992) cũng đi đến một kết luận tương tự.

Tuy nhiên, một bước ngoặt thực sự không xảy ra cho đến khoảng năm 1999 khi Hansch nhận thấy rằng các laze với các xung cực ngắn mà chúng sẵn có vào thời gian đó có thể được sử dụng để đo trực tiếp các tần số quang đối với đồng hồ xesi. Điều đó là vì các laze như thế có một lược tần số bao gồm toàn bộ phạm vi tần số ánh sáng nhìn thấy. Do dó, kỹ thuật lược tần số quang dựa trên cơ sở một khoảng tần số phân bố bằng phẳng và ít nhiều giống như các răng của một cái lược hay các chỗ đánh dấu trên một cái thước. Một tần số chưa biết mà nó cần được xác định có thể liên quan đến một trong các tần số dọc theo “que đo (measuring stick)”. Hansch và các cộng sự đã chứng minh một cách thuyết phục rằng các chỗ đánh dấu tần số thực sự phân bố bằng phẳng với độ chính xác cực cao. Tuy nhiên, một vấn đề nảy sinh là làm thế nào để xác định giá trị tuyệt đối của tần số. Thậm chí nếu có sự tách rất rõ rệt giũa các răng lược thì vẫn xảy ra một sự dịch chuyển tần số chung chưa biết. Sự lêch này cần phải được xác định một cách chính xác nếu cần đo một tần số chưa biết. Nhằm mục đích này, Hansch đã phát triển một kỹ thuật trong đó tần số cũng có thể được làm ổn định nhưng Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 toán không được giải quyết một cách đơn giản trên thực tế cho đến khi Hansch và các cộng sự đưa ra một lời giải vào khoảng năm 2000. Nếu lược tần số có thể được tạo ra rộng đến mức các tần số cao nhất cao gấp đôi so với các tần số thấp nhất (một octa (octave) của các dao động), độ dịch chuyển tần số f0có thể tính được bằng phép trừ đơn giản từ các tần số tại các đầu của octa (xem hình 3):

2fn- f2n= 2(nfr+ f0) - (2nfr+ f0) = f0.

Có thể tạo ra các xung thuộc loại này với một khoảng tần số đủ rộng trong cái gọi là các sợi tinh thể photon (photonic crystal) mà trong đó vật liệu bị thay thế một phần bởi các kênh chứa đầy không khí. Một phổ rộng của các tần số có thể phát sinh bởi ánh sáng trong các sợi này. Hansch và Hall cùng các cộng sự sau đó đã hoàn thiện các kỹ thuật này (một phần trong công trình hợp tác giữa hai nhóm này) thành một thiết bị đơn giản mà nó đã được sử dụng rộng rãi và sẵn có trên thị trường. Một tần số laze cao chưa biết bay giờ có thể đo được bằng cách quan sát sự giao thoa (beat) giữa tần số này và răng gần nhất trong lược tần số. Sự giao thoa này sẽ xảy ra trong một khoảng tần số vô tuyến dễ quản lý. Điều này tương tự với thực tế là sự giao thoa giữa hai âm thoa có thể nghe được ở một tần só thấp hơn nhiều so với các âm riêng.

Các kỹ thuật lược tần số gần đây đã được mở rộng cho khoảng tần số ánh sáng cực tím rất cao mà nó có thể đạt được bằng cách tạo ra các siêu âm từ các xung ngắn. Điều này có thể có nghĩa là độ chính xác cực cao có thể đạt được tại các tần số rất cao và bằng cách đó dẫn đến khả năng tạo ra các đồng hồ có độ chính xác cao hơn so với đồng hồ nguyên tử tại các tần số tia X.

Một khía cạnh khác của kỹ thuật lược tần số là ở chỗ việc điều khiển pha ánh sáng mà kỹ thuật này cho phép cũng có tầm quan trọng đặc biệt trong các thực nghiệm với các xung femto giây cực ngắn và trong tương tác cực mạnh giữa laze và vật chất. Các siêu âm cao phân bố bằng phẳng về tần số có thể bị khóa pha (phase-locked) với nhau và bằng cách đó các xung atto giây (as và 1 as = 10-18s) riêng biệt có độ dài khoảng 100 as có thể được sinh ra bởi sự giao thoa theo cùng một cách như trong sự khóa mốt đã mô tả trên đây. Do đó, kỹ thuật lược tần số quang lien quan nhiều nhất đến các phép đo chính xác cả về tần số và thời gian.

Hiện nay, với kỹ thuật lược tần số dường như có thể tạo ra các phép đo tần số trong tương lai với độ chính xác tiến đến 10-18 s. Điều này sớm dẫn đến việc đưa vào sử dụng một đồng hồ chuẩn quang mới. Các hiện tượng và vấn đề đo đạc nào có thể tận dụng được độ chính xác cực cao này?

Độ chính xác cực cao này sẽ làm cho các hệ thống hàng không trên cơ sở vệ tinh (GPS) chính xác hơn. Đọ chính xác này sẽ trở nên cần thiết chẳng hạn như đối với các chuyến bay dài ngày trong vũ trụ và các dàn kính thiên văn trong không gian để quan sát các sóng hấp dẫn hoặc tiến hành các thử nghiệm chính xác về thuyết tương đối. Cũng có thể có các ứng dụng trong viễn thông.

Độ chính xác được nâng cao trong các phép đo cũng có thể được sử dụng trong nghiên cứu mối quan hệ giữa vật chất và phản vật chất. Người ta đặc biệt quan tâm đến hyđrô. Khi phản hyđrô có thể được nghiên cứu về mặt thực nghiệm giống như hyđrô thông thường, chúng ta có thể so sánh các tính chất phổ cơ bản của chúng.

Cuối cùng là độ chính xác cao hơn trong các phép đo cơ bản có thể được sử dụng để kiểm tra những thay đổi khả dĩ đối với các hằng số của tự nhiên qua thời gian. Các phép đo như thế cũng đã bắt đầu được tiến hành nhưng người ta chưa phát hiện được sự sai lệch nào. Tuy nhiên, độ chính xác được nâng cao sẽ tạo cho nó khả năng rút ra các kết luận ngày càng rõ ràng về vấn đề cơ bản nay.

Tác giả Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 viết: PGS, TS Nguyễn Quang Học
Nguồn phys.hnue.edu.vn
 
Nobel Vật lí 2006

Giải Nobel Vật lý năm 2006 được trao cho hai công dân Mỹ là John C. Mather tại Trung tâm chuyến bay không gian Goddard của Cơ quan Hàng không vũ trụ Quốc gia (NASA) ở Greenbelt (Mỹ) và George F. Smoot tại Đại học California ở Berkeley (Mỹ) “do phát hiện ra dạng vật đen và sự bất đẳng hướng của bức xạ nền vi sóng vũ trụ”.

John C. Mather sinh năm 1946. Ông tốt nghiệp đại học ngành Vật lý năm 1968 tại Cao đẳng Swarthmore ở Pensylvania, bảo vệ luận án tiến sỹ Vật lý năm 1974 tại Đại học California ở Berkeley và hiện nay là nhà Vật lý thiên văn tại Trung tâm chuyến bay không gian Goddard (GSFC) của NASA ở Greenbelt.

John Mather đã được trao tặng nhiều giải thưởng do những nghiên cứu của ông trên vệ tinh COBE như Giải thưởng John C. Lindsay (1990), Giải thưởng thành tựu khoa học xuất sắc (1991) của NASA, Giải thưởng khoa học không gian (1993) của Viện Hàng không và hàng không vũ trụ Mỹ, Giải thưởng Dannie Heineman về vật lý thiên văn (1993) của Hội Thiên văn Mỹ và Viện Vật lỹ Mỹ. Ông được trao bằng tiến sĩ danh dự (1994) của Cao đẳng Swarthmore, giải thưởng John Scott (1995) của thành phố Philadelphia và giải thưởng Rumford (1996) của Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học Mỹ. Ông là hội viên Hội Vật lý Mỹ (1997), viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (1997) và viện sĩ Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học Mỹ (1998). Ông được trao tặng Giải thưởng Marc Aaronson (1998) của Đại học Arizona và Huy chương Benjamin Franklin (1999) của Viện Franklin.

Nghiên cứu chính của John Mather là thiên văn học hồng ngoại và vũ trụ học. Ông thực tập sau tiến sỹ tại Viện Nghiên cứu không gian Goddard ở New York. Từ năm 1974 đến năm 1976, ông đề xuất và tham gia xây dựng Nhà thám hiểm nền vũ trụ (Cosmic Background Explorer). Từ năm 1976 ông làm việc tại GSFC. Tại đây, ông giữ các cương vị nhà khoa học nghiên cứu (1976-1988), nhà khoa học dự án (1988-1998) và nhà nghiên cứu chính về phổ quang kế hoàn toàn xa hồng ngoại (FIRAS) trên vệ tinh COBE. Ông đã chỉ ra rằng bức xạ nền vi sóng vũ trụ có phổ của một vật đen trong phạm vi 50 phần triệu. Từ năm 1995 đến nay, ông là nhà khoa học dự án cao cấp của Kính thiên văn không gian James Webb. Ông làm việc trong các nhóm cố vấn và công tác của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia, NASA, Liên đoàn khoa học Quốc gia NSF chẳng hạn như đối với Chuỗi (array) milimét lớn Atacama (ALMA) và Trung tâm Nghiên cứu vật lý thiên văn vùng Nam cực (CARA). Ông là cố vấn về vật lý thiên văn trong Hội đồng cố vấn của NASA và Ban chỉ đạo thường trực của Dự án Kepler.

George F. Smoot sinh năm 1945 tại Yukon, bang Florida. Ông bảo vệ luận án tiến sỹ Vật lý năm 1970 tại Viện Công nghệ Masachusetts và hiện nay là giáo sư Vật lý tại Đại học California ở Berkeley. George Smoot đã làm việc tại nhiều cơ quan khác nhau như Phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley (LBL), khoa Vật lý thuộc Đại học California ở Berkeley, Viện Vật lý thiên văn hạt nhân và hạt cơ bản (INPA) tại LBL và Phòng thí nghiệm Các khoa học không gian (SSL) thuộc Đại học California ở Berkeley.

Nhà Vật lý thiên văn thực nghiệm George Smoot là một nhà nghiên cứu trong lĩnh vực vật lý thiên văn quan sát và vũ trụ học. Nhóm của Smoot tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Berkeley và Đại học California ở Berkeley đang tiến hành quan sát thiên hà của chúng ta và bức xạ nền vũ trụ tàn dư từ giai đoạn đầu tiên của vũ trụ. Các dự án mà ông tham gia bao gồm các quan sát từ kính thiên văn vô tuyến đặt trên mặt đất, việc chế tạo máy móc thiết bị trên khí cầu và các thực nghiệm trên vệ tinh. Dự án nổi tiếng nhất trong số đó là vệ tinh COBE (vệ tinh Nhà thám hiểm nền vũ trụ của NASA). Thực nghiệm trên vệ tinh này chứng tỏ rằng sự phụ thuộc của cường độ bức xạ nền vũ trụ vào bước sóng giống như sự phụ thuộc của cường độ bức xạ từ một vật đen tuyệt đối vào bước sóng. Bức xạ nền vũ trụ là bức xạ tàn dư từ Vụ nổ lớn diễn ra trong giai đoạn đầu tiên của vũ trụ.

Khi sử dụng thiết bị Bức xạ kế vi sóng vi phân (DMR) trên vệ tinh COBE, Smoot và các đồng nghiệp đã vẽ được bản đồ vũ trụ trong giai đoạn đầu tiên mà nó là mầm mống của các thiên hà và chùm thiên hà hiện nay. Những mầm mống này chỉ ra những thay đổi về mật độ từ nơi này sang nơi khác ở mức một phần mười vạn. Chúng cung cấp thông tin về Vụ nổ lớn và nguồn gốc của vũ trụ. Để tiếp tục các nghiên cứu về dữ liệu thu thập trong bốn năm của COBE và các thực nghiệm trên khí cầu, Smoot đã phối hợp với các đồng nghiệp ở châu Âu đề xuất một vệ tinh mới của Cơ quan Không gian châu Âu (ESA) nhằm mở rộng và thúc đẩy các phép đo này. Ông đã công bố một cuốn sách phổ biến khoa học về vũ trụ mang tên “Wrinkles in Time” trong đó nói về các thực nghiệm và kinh nghiệm hoạt động khoa học của ông . Nhóm của ông đang tập trung phân tích và xử lý dữ liệu bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMS), phát triển các kỹ thuật và thuật toán mới. Điều này bao gồm việc phân tích và mở rộng dữ liệu thu được trong bốn năm của vệ tinh COBE, phân tích dữ liệu từ các thiết bị MAXIMA/ Boomerang dặt trên khí cầu. Hiện nay, nhóm của Smoot đang phân tích dữ liệu từ máy dò bất đẳng hướng vi sóng (MAP) có chức năng dò tìm bất đẳng hướng của CMB thế hệ thứ hai. “Nhà điều tra (surveyor) Max Planck” là vệ tinh đo bất đẳng hướng CMB thế hệ thứ ba và nó sẽ được phóng lên vũ trụ vào năm 2007. Nhóm của Smoot có trách nhiệm lập kế hoạch, mô phỏng và thiết kế vệ tinh này nhằm đo sự bất đẳng hướng của nền vi sóng vũ trụ với độ phân giải góc lớn hơn và có độ nhạy cao hơn so với thiết bị DMR trên vệ tinh COBE. ESA và NASA đã chấp nhận kế hoạch phóng vệ tinh Max Planck. Smoot tham gia vào dự án về các thiết bị MAXIMA/Boomerang/MAXIPOL lắp đặt trên khí cầu nhằm xác định sự bất đẳng hướng và phân cực của CMB. Dự án xác định sự phát xạ thiên hà (GEM) trong đó có sự tham gia của Smoot có nhiệm vụ đo và mô hình hóa sự phát xạ thiên hà có bước sóng từ milimét đến mét và cấu trúc thiên hà. Nhóm của ông sử dụng dữ liệu từ các vệ tinh như vệ tinh COBE và các quan sát từ mặt đất để mô hình hóa thiên hà của chúng ta. Một phần quan trọng của dự án này là phát triển một kính thiên văn vô tuyến chính xác và có thể điều khiển và các bộ thu mà chúng được sử dụng để vẽ và kiểm tra độ chia các bản đồ vô tuyến của bầu trời. Việc chế tạo máy móc thiết bị cho GEM được tiến hành tại California, Colombia, Tenerife và hiện nay tại Brazil. Nhóm của Smoot tham gia vào dự án vũ trụ sao siêu mới (supernova). Nhóm còn nghiên cứu và triển khai lý thuyết và công nghệ đetectơ nơtrinô với kích thước kilômét bình phương hoặc lập phương. Các tính toán giải tích, mô phỏng, kỹ thuật điện tử, kỹ thuật đetectơ và việc triển khai lắp đặt là những khía cạnh kỹ thuật quan trọng nhất trong dự án này.

Giải Nobel Vật lý năm 2006 ghi nhận những công trình nghiên cứu về thời kỳ phôi thai của vũ trụ và xem xét về nguồn gốc của các thiên hà và sao. Các kết quả này dựa trên cơ sở của các phép đo trên vệ tinh COBE do NASA phóng lên vũ trụ từ năm 1989.

Các phép đo trên vệ tinh COBE hỗ trợ cho giả thuyết Vụ nổ lớn (Big Bang) về nguồn gốc của vũ trụ. Các phép đo này đã phát hiện ra bức xạ nền vi sóng vũ trụ mà giả thuyết Vụ nổ lớn đã dự đoán và cũng đánh dấu sự mở đầu của khoa học vũ trụ như một khoa học chính xác. Việc nghiên cứu bức xạ nền còn được tiếp tục sau đó chẳng hạn trên vệ tinh WMAP và sắp tới trên vệ tinh Planck của châu Âu.

Theo giả thuyết Vụ nổ lớn, bức xạ nền vi sóng vũ trụ là bức xạ tàn dư từ giai đoạn đầu tiên của vũ trụ. Ngay sau Vụ nổ lớn, vũ trụ có thể được so sánh với một vật rực sáng phát ra bức xạ trong đó sự phân bố qua các bước sóng khác nhau chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nó. Phổ của loại bức xạ này có một dạng đặc biệt gọi là bức xạ của vật đen. Khi bức xạ này được phát ra, nhiệt độ vũ trụ khoảng chừng 3 000 oC. Theo giả thuyết Vụ nổ lớn, bức xạ này sau đó dần dần nguội đi khi vũ trụ dãn nở. Bức xạ nền mà chúng ta có thể đo được hiện nay tương ứng với nhiệt độ 2, 7 độ trên không độ tuyệt đối. Mather và Smoot có khả năng xác định được nhiệt độ này nhờ phổ vật đen do các phép đo trên vệ tinh COBE phát hiện ra.

Vệ tinh COBE còn có nhiệm vụ phát hiện những thay đổi nhỏ của nhiệt độ theo các hướng khác nhau. Thuật ngữ bất đẳng hướng ám chỉ điều đó. Những khác biệt cực nhỏ về nhiệt độ (khoảng chừng một trăm phần nghìn độ) của bức xạ nền vũ trụ đưa ra một chứng cớ quan trọng về sự hình thành của các thiên hà. Những thay đổi nhiệt độ chỉ ra cho chúng ta thấy vật chất trong vũ trụ bắt đầu “tập hợp lại” như thế nào. Điều này là cần thiết cho sự phát triển của các thiên hà, sao và cuối cùng là sự sống như chúng ta. Nếu không có cơ chế này thì vật chất có một dạng hoàn toàn khác và trải rộng như nhau khắp vũ trụ.

Vệ tinh COBE được phóng lên vũ trụ ngày 18 tháng 11 năm 1989. Những kết quả đầu tiên thu được trên vệ tinh này sau 9 phút quan sát. Đó là hình ảnh của một phổ vật đen hoàn chỉnh. Khi hình ảnh này được giới thiệu tại một hội nghị về thiên văn học, các đại biểu tham dự hội nghị đã đứng dậy hoan hô nhiệt liệt.

Thành công của vệ tinh COBE là kết quả của sự hợp tác của hơn 1 000 nhà nghiên cứu, kỹ sư và những người tham gia khác. John Mather phối hợp toàn bộ quá trình và chịu trách nhiệm chính cho thực nghiệm phát hiện ra dạng vật đen của bức xạ nền vi sóng mà vệ tinh COBE đo được. George Smoot chịu trách nhiệm chủ yếu đối với việc đo những thay đổi nhỏ về nhiệt độ của bức xạ.

Vệ tinh COBE do Trung tâm chuyến bay không gian của NASA phóng lên vũ trụ nhằm đo bức xạ vi sóng và hồng ngoại khuyết tán từ giai đoạn đầu tiên của vũ trụ đến các giới hạn đặt ra bởi môi trường vật lý thiên văn của chúng ta. Vệ tinh COBE mang theo ba thiết bị. Thiết bị đầu tiên mang tên Thực nghiệm nền hồng ngoại khuyết tán (DIRBE) nhằm tìm kiếm bức xạ nền hồng ngoại vũ trụ. Thiết bị thứ hai mang tên Bức xạ kế vi sóng vi phân (DMR) nhằm vẽ bản đồ bức xạ vũ trụ. Thiết bị thứ ba mang tên Phổ quang kế hoàn toàn xa hồng ngoại (FIRAS) nhằm so sánh phổ của bức xạ nền vi sóng vũ trụ (CMB) với một vật đen chính xác.

DIBRE thu được các bản đồ độ chói bầu trời hoàn toàn hồng ngoại trong phạm vi bước sóng từ 1, 24 micromet đến 240 micromet nhằm tìm kiếm nền hồng ngoại vũ trụ (CIB). CIB lúc đầu được tìm thấy trong hai dải bước sóng DIBRE dài nhất là 140 và 240 micromet và ở cuối sóng ngắn của phổ FIRAS . Các phân tích sau đó dẫn đến phát hiện thấy CIB trong các bản đồ bầu trời DIBRE gần hồng ngoại. CIB đưa ra một “mẫu lõi” của vũ trụ. Nó chứa những sự phát xạ tích lũy của các thiên hà và sao đã tồn tại từ thời kỳ khi các đối tượng này bắt đầu hình thành. Các phép đo CIB trên vệ tinh COBE chứng tỏ rằng sự tích lũy của bụi và các nguyên tố nặng hơn hiđrô đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành sao trong suốt lịch sử vũ trụ.

Lần đầu tiên CMB được phát hiện có “sự bất đẳng hướng” thực tại mức một phần mười vạn. Những thay đổi rất nhỏ này của cường độ CMB trên bầu trời chỉ ra vật chất và năng lượng được phân bố như thế nào khi vũ trụ còn rất trẻ. Nhờ một quá trình còn chưa rõ, các cấu trúc ban đầu mà DMR phát hiện thấy sau đó phát triển thành các thiên hà, chùm thiên hà và cấu trúc ở phạm vi lớn mà hiện nay chúng ta nhìn thấy trong vũ trụ.

Phổ CMB là phổ của một vật đen gần hoàn chỉnh với nhiệt độ là 2, 725 ±0, 0002 K. Quan sát này phù hợp rất tốt với thuyết Vụ nổ lớn và chứng tỏ rằng gần như toàn bộ năng lượng điểm phát của vũ trụ được giải phóng trong năm đầu tiên sau Vụ nổ lớn.

Tác giả Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 viết: PGS, TS Nguyễn Quang Học
Nguồn phys.hnue.edu.vn
 
Nobel Vật lí 2004

Ngày 5 tháng 10 năm 2004 Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển quyết định trao Giải Nobel Vật lý năm 2004 cho ba công dân Mỹ là Davis J. Gross tại Viện Vật lý lý thuyết Kavli thuộc Đại học California ở Santa Barbara (bang California, Mỹ), H. Davis Politzer tại Viện Công nghệ California (Caltech) ở Pasadena (bang California, Mỹ) và Frank Wilczek tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Cambridge (bang Massachusetts, Mỹ) "do phát minh ra sự tự do tiệm cận (asymptotic freedom) trong lý thuyết tương tác mạnh".

Gross cùng với Wilczek và độc lập với họ là Politzer đã có một phát minh quan trọng xem xét xem lực mạnh hoạt động như thế nào để liên kết các yếu tố thành phần gọi là các quark của các proton và neutron (các hạt này tạo nên các hạt nhân nguyên tử). Ba lực khác của tự nhiên là lực điện từ, lực yếu và lực hấp dẫn đều giảm cường độ theo khoảng cách. Ba nhà khoa học nói trên đã phát hiện thấy rằng lực mạnh tăng mạnh hơn theo khoảng cách.Phát minh này gọi là "sự tự do tiệm cận" và nó có nghĩa là việc kéo các quark ở bên trong các proton và neutron ra xa nhau làm tăng cường độ của lực liên kết chúng. Phát hiện này có tác động lớn đến việc thiết kế và tiến hành các thực nghiệm tại các thiết bị máy gia tốc lớn trên thế giới vì nó cho phép các nhà vật lý tính toán được các kết quả mà các thực nghiệm thu được. Những sai số từ các kết quả tính toán này lại cung cấp những hiểu biết vô cùng quí giá về một lĩnh vực vật lý mới là vật lý vượt ra khỏi Mô hình chuẩn. Mặt sau (flip side) của "sự tự do tiệm cận" đã được mô tả như là "nô lệ hồng ngoại (infra-red slavery)". Do lực liên kết các quark trong các proton và neutron tăng mạnh hơn theo khoảng cách, các proton và neutron không thể bị hủy thành các quark thành phần. Phần này của phát minh Gross-Wilczek gọi là "sự giam cầm". Phát minh tự do tiệm cận đưa Gross và Wilczek đề xuất một lý thuyết toàn diện về lực mạnh gọi là Sắc động lực lượng tử (QCD) mà ba điện tích màu của nó tương tự với các điện tích dương và âm trong lý thuyết về lực điện từ gọi là Điện động lực lượng tử (QED). Do QCD có sự tương tự toán học đáng kể so với QED và lý thuyết về lực yếu, phát minh tự do tiệm cận mang lại cho vật lý một bước tiến gần hơn đến việc thực hiện ước mơ vĩ đại là thống nhất tất cả các lực của tự nhiên vào trong một lý thuyết. Lý thuyết thống nhất này là lý thuyết cho tất cả các hiện tượng trong tự nhiên.

Davis J. Gross sinh năm 1941 tại Washington D. C. (Mỹ). Ông bảo vệ luận án tiến sĩ vật lý tại Đại học California ở Berkeley năm 1966 và sau đó ông làm việc tại Harvard. Năm 1969 ông tới Princeton làm trợ lý giáo sư và ở đó ông được bổ nhiệm làm giáo sư vật lý năm 1972. Sau đó, ông là giáo sư Eugene Higgins về vật lý và giáo sư Thomas Jones về vật lý toán. Trong những năm 1970-1974 ông là thành viên Liên đoàn Alfred P. Sloan. Ông được bầu là hội viên Hội Vật lý Mỹ (1974), viện sĩ Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học Mỹ (1986), viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Mỹ (1986) và hội viên Hiệp hội Mỹ vì sự tiến bộ khoa học (1987). Gross đã được trao tặng Giải thưởng J. J. Sakurai (1986) của Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng của Liên đoàn MacArthur (1987), Huy chương Dirac (1988), Huy chương Oscar Klein (2000) và Giải thưởng Harvey (2000) và Giải thưởng Vật lý hạt và năng lượng cao (2003) của Hội Vật lý châu Âu. Ông đã nhận được hai bằng tiến sĩ danh dự. Năm 2004 David Gross đã được lựa chọn để nhận phần thưởng khoa học cao quí nhất của Pháp là Huy chương vàng (Grande Medaille D'Or ) do những đóng góp của ông cho việc hiểu biết hiện thực vật lý cơ bản. Ông đến làm việc tại Viện Vật lý thuyết Kavli thuộc Đại học California ở Santa Barbara từ tháng 1 năm 1997. Hiện nay, ông là giáo sư Frederick W. Gluck về vật lý lý thuyết - một chức giáo sư riêng (endowed chair) cho giám đốc Viện Vật lý lý thuyết Kavli thuộc Đại học California ở Santa Barbara và được thiết lập từ năm 2002. Gross nói: "Giải Nobel ghi nhận những cố gắng không chỉ của chúng tôi mà còn của cộng đồng vật lý năng lượng cao. Những cuộc thám hiểm khoa học vào trong thực tại cơ bản không chỉ là lĩnh vực của riêng các thiên tài như Galileo, Newton hay Einstein mà còn là cố gắng hợp tác của cộng đồng của các nhà khoa học. Hàng trăm các nhà khoa học thực nghiệm tại các phòng thí nghiệm máy gia tốc trên khắp thế giới đã thiết kế và tiến hành các thực nghiệm mà chúng sớm cung cấp cho chúng tôi những gợi ý về cách tác động của lực mạnh và sau đó chứng minh lý thuyết đã công bố của chúng tôi. Chúng tôi còn nhiều vấn đề lý thuyết cần phải nghiên cứu".

H. Davis Politzer sinh năm 1949 tại Mỹ. Ông bảo vệ luận án tiến sĩ vật lý tại Đại học Harvard năm 1974. Hiện nay, ông là giáo sư tại Phòng Vật lý, Viện Công nghệ California (Caltech) ở Pasadena (Mỹ). Politzer nói rằng quả thực một trong các suy ngẫm ưa thích nhất của ông về sự nghiệp vật lý hạt cơ bản của mình là ông tưởng tượng mình đi đến một ga xe lửa ở bất kỳ nơi nào trên thế giới và được đón chào bởi một người hoàn toàn không quen biết và người đó ngay lập tức đối xử với ông như một người bạn cũ. Politzer làm vật lý lý thuyết nhưng ông coi nó như một nghề ký sinh (parasitic) cơ bản sống tách khỏi lao động của các nhà vật lý thực.

Frank A.Wilczek sinh ngày 15 tháng 5 năm 1951 tại Queen (bang New York, Mỹ) . Năm 1973 ông cưới vợ là Elizabeth J. Devine và vợ chồng ông có hai con là Amity (sinh năm 1974) và Mira (sinh năm 1982). Ông tốt nghiệp Đại học Chicago ngành toán học năm 1970, bảo vệ luận án thạc sĩ toán học tại Đại học Princeton năm 1972 và bảo vệ luận án tiến sĩ vật lý tại Đại học Princeton năm 1974. Wilczek là giáo viên hướng dẫn thực hành (từ tháng 1 năm 1974 đến tháng 6 năm 1974), trợ lý giáo sư (từ tháng 9 năm 1974 đến tháng 6 năm 1976 và từ tháng 9 năm 1977 đến tháng 6 năm 1978), phó giáo sư (tháng 9 năm 1978 đến tháng 6 năm 1980) và giáo sư (từ tháng 7 năm 1980 đến tháng 6 naưm 1981) tại Đại học Princeton. Ông là thực tập sinh tại Viện Cao học Princeton từ tháng 9 năm 1976 đến tháng 6 năm 1977. Ông là gíao sư Đại học California ở Santa Barbara và thành viên Viện Vật lý lý thuyết của trường này từ tháng 11 năm 1980 đến tháng 12 năm 1988. Wilczek là giáo sư thỉnh giảng của Đại học Harvard từ tháng 9 năm 1987 đến tháng 6 năm 1988. Từ tháng 1 năm 1989 đến tháng 8 năm 2000 ông là giáo sư Trường Khoa học tự nhiên của Viện Cao học Princeton. Từ tháng 9 năm 2000 ông là giáo sư tại Trung tâm Vật lý lý thuyết của Phòng Vật lý, Viện Công nghệ Massachusetts ở Cambridge. Giáo sư Frank Wilczek là giảng viên danh dự của nhiều trường đại học và tổ chức khoa học như giảng viên Morris Loeb về vật lý của Đại học Harvard (tháng 4 năm 1982), giảng viên Flint của Đại học Yale (tháng 4 năm 1986), giảng viên Hamilton của Đại học Princeton (tháng 4 năm 1988), giảng viên Scott Hawkins của Đại học Giáo lý Phương Nam (tháng 1 năm 1992), giảng viên Bethe của Đại học Cornell (tháng 10 năm 1992), giảng viên Anna McPherson của Đại học McGill (tháng 4 năm 1993), giảng viên Rowland của Đại học Kentucky (tháng 12 năm 1994), giảng viên Michelson của Đại học Dự bị Tây Case (tháng 4 năm 1995), giảng viên Dashen của Đại học California ở San Diego (tháng 1 năm 1999), giảng viên H. Primakoff của Hội Vật lý Mỹ (tháng 4 năm 2001), giảng viên Potts của Đại học John Hopkins (tháng 4 năm 2001), giảng viên A. O. Williams của Đại học Brown (tháng 4 năm 2001), giảng viên Pappalardo của Viện Công nghệ Massachusetts (tháng 4 năm 2001), giảng viên ghi nhớ Feenberg của Đại học Washington ở St. Louis (tháng 10 năm 2003), giảng viên Heilborn của Đại học Tây bắc (tháng 1 năm 2004), giảng viên ìFT của Đại học Florida (tháng 2 năm 2004), giảng viên Marker của Đại học Quốc gia Pennsylvania (tháng 4 năm 2004), giảng viên gho nhớ J. Robert Oppenheimer (tháng 7 năm 2004), giảng viên Enrrico Fermi tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (tháng 10 năm 2004) và giảng viên Cao đẳng Green thuộc Đại học Columbia (tháng 11 năm 2004). Wilczek là giáo sư vật lý và hiệu trưởng danh dự Robert Huttenback của Đại học California ở Santa Barbara từ tháng 9 năm 1984 đến năm 1990, cộng tác viên Regent của Đài Thiên văn Vật lý Smithsonian từ tháng 6 năm 1986 đến tháng 9 năm 1988, nhà khoa học nổi bật Leland J. Haworth của Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven từ tháng 9 năm 1994 đến tháng 6 năm 1997, giáo sư J. Robert Oppenheimer tại Viện Cao học từ tháng 10 năm 1997 đến tháng 8 năm 2000, giáo sư Lorentz của Đại học Leiden từ tháng 4 đến tháng 6 năm 1998, giáo sư Herman Feshbach của Viện Công nghệ Massachusetts từ tháng 9 năm 2000 đến nay, giáo sư Adjunct của Centros Estudios Cientifi\cos từ tháng 1 năm 2002 đến nay và giáo sư Schrodinger thỉnh giảng tại thành phố Vienna (Áo) vào tháng 6 năm 2002. Wilczek là thành viên Hội đồng cố vấn về năng lượng cao của Phòng thí nghiệm Quốc gia Brookhaven (1978-1982), thành viên Ban biên tập tạp chí “Zeitschrift fur Physik C” (tháng 11 năm 1981-1997), thành viên Hội đồng biên tập tạp chí “Annual Reviews of Nuclear &Particle Science” ( tháng 7 năm 1985-tháng 9 năm 1989), thành viên Hội đồng cố vấn về vật lý năng lượng cao của D. O. E.(1986-1989), thành viên Hội đồng khoa học của Viện Vật lý lý thuyết thuộc Đại học Minnesota (tháng 1 năm 1987-2003), phụ trách mục “Article Alert” trên tạp chí “The Scientists” (tháng 1 năm 1988-tháng 5 năm 1991), thành viên Hội đồng cố vấn của Viện Vật lý lý thuyết ở Santa Barbara (tháng 9 năm 1989-1992), thành viên Hội đồng xét học bổng nghiên cứu của Liên đoàn Sloan (tháng 3 năm 1993-1998), thành viên Hội đồng tổng quan quốc tế đối với các giáo sư khoa học của Tổng thống ở Santiago (Chile) (tháng 3 năm 1999-2000), chủ biên tạp chí “Annals ò Physics” (từ tháng 9 năm 2001 đến nay), thành viên Hội đồng chính sách khoa học của CERN (từ tháng 1 năm 2002 đến nay), cố vấn biên tập cho tạp chí “Daedalus” (từ tháng 1 năm 2002 đến nay) và thành viên Hội đồng cố vấn khoa học của Viện Vật lý lý thuyết ở Waterloo (Canada) (từ tháng 1 năm 2003 đến nay). Ông đóng góp thường xuyên cho tạp chí “Vật lý ngày nay” trong việc giải thích các chủ đề khác nhau ở ranh giới tận cùng của vật lý. Giáo sư Frank Wilczek đã được trao tặng Giải thưởng tìm kiếm tài năng khoa học (1967) của Westinghouse, Phi Beta Kappa (1969), Giải thưởng J. J. Sakurai (1986) của Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng và Huy chương Dirac (1994) của Trung tâm Vật lý lý thuyết Quốc tế ở Trieste (Italia), Giải thưởng Michelson-Morley (2002) của Đại học Dự bị Tây Case, Huy chương Lorentz (2002) của Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học Hoàng gia Hà Lan, Giải thưởng Lilienfeld (2003) của Hội Vật lý Mỹ, Giải thưởng Vật lý năng lượng cao (2003) của Hội Vật lý châu Âu, Huy chương tưởng niệm (2003) của Khoa toán lý thuộc Đại học Charles (Prague) và Giải thưởng Nobel Vật lý (2004) của Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển. Wilczek là thành viên Liên đoàn Alfred P. Sloan (1975-1977), thành viên Liên đoàn John & Catherine MacArthur (tháng 7 năm 1982-1987), viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (từ tháng 5 năm 1990), viện sĩ Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học Mỹ (từ tháng 4 năm 1993), viện sĩ nước ngoài Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học Hoàng gia Hà Lan (tháng 5 năm 2000), hội viên Hiệp hội Mỹ vì sự tiến bộ khoa học (tháng 12 năm 2000). Ông là tiến sĩ danh dự của Đại học Montrèal. Giáo sư Wilczek được coi như một trong các nhà vật lý xuất sắc nhất thế giới hiện nay. Ông nổi tiếng do phát minh ra sự tự do tiệm cận và phát triển sắc động lực lượng tử, phát minh ra các axion và khám phá ra các dạng mới của thống kê lượng tử là các anyon. Khi Wilczek mới chỉ 21 tuổi và là sinh viên của Đại học Princeton, ông đã cùng với David Gross phát hiện ra các tính chất của các gluon màu. Nghiên cứu chính của Wilczek gồm vật lý hạt cơ bản thuần túy, dáng điệu của vật chất ở nhiệt độ và mật độ cực cao, ứng dụng quan niệm của vật lý hạt cơ bản cho vũ trụ học, ứng dụng kỹ thuật của lý thuyết trường cho vật lý chất đông kết và lý thuyết lượng tử của các lỗ đen.

Các khối xây dựng nhỏ nhất trong tự nhiên là gí? Các hạt này xây dựng lên bất kỳ cái gì chúng ta nhìn thấy xung quanh chúng ta như thế nào? Các lực nào tác động trong tự nhiên và chúng thực sự thực hiện chức năng của chúng như thế nào?

Giải Nobel Vật lý năm 2004 liên quan đến các câu hỏi cơ bản nói trên. Đó là những vấn đề quan tâm của các nhà vật lý trong suốt thế kỷ XX và chúng còn là thách thức cho các nhà lý thuyết và thực nghiệm làm việc với các máy gia tốc hạt cơ bản lớn hiện nay.

David Gross, David Politzer và Frank Wilczek đã tạo ra một phát minh lý thuyết quan trọng liên quan đến lực mạnh hay còn gọi là "lực màu (colour force)". Lực mạnh là lực chi phối trong các hạt nhân nguyên tử và tác động giữa các quark ở bên trong proton và notron. Điều mà những người đoạt Giải Nobel phát hiện ra là một cái gì đó thoạt tiên dường như hoàn toàn mâu thuẫn. Việc giải thích kết quả toán học của họ cho rằng các quark càng gần nhau thì "điện tích màu (colour charge)" càng yếu. Khi các quark thực sự gần nhau, lực tương tác giữa chúng yếu đến mức chúng gần giống như các hạt tự do. Hiện tượng này được gọi là "sự tự do tiệm cận". Điều ngược lại là đúng khi các quark chuyển động ra xa. Lực tương tác giữa các quark mạnh hơn khi khoảng cách giữa chúng tăng lên. Tính chất này giống như tính chất của một đai cao su. Đai càng bị giãn thì lực càng mạnh.

Phát minh này được diễn đạt về mặt toán học vào năm 1973 và nó dẫn đến một lý thuyết hoàn toàn mới mang tên là sắc động lực lượng tử QCD (Quantum ChromoDynamics). Lý thuyết này là một đóng góp quan trọng cho Mô hình chuẩn (Standard Model). Mô hình này mô tả ba loại lực cơ bản trong tự nhiên là lực điện từ (lực này tác động giữa các hạt tích điện), lực yếu (lực này có vai trò quan trọng đối với việc sản sinh năng lượng của Mặt Trời) và lực mạnh (lực này tác động giữa các quark). Nhờ có QCD, các nhà vật lý ít ra có thể giải thích được tại sao các quark chỉ giống như các hạt tự do ở các năng lượng cực cao. Trong proton và notron, các quark luôn luôn tìm thấy trong các bộ ba (triplet).

Nhờ phát minh nói trên, David Gross, David Politzer và Frank Wilczek đã làm cho vật lý tiến một bước gần hơn đến việc thực hiện giấc mơ lớn là xây dựng được một lý thuyết thống nhất bao gồm cả bốn loại lực cơ bản trong tự nhiên (lực hấp dẫn, lực điện từ, lực mạnh và lực yếu).

Phát minh mà nó được trao Giải Nobel Vật lý năm 2004 có tầm quan trọng quyết định đối với hiểu biết của chúng ta về lý thuyết lực mạnh. Lực này là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên và tác động giữa các phần tử nhỏ nhất của vật chất hiện nay là các quark. Gross, Politzer và Wilczek qua các đóng góp lý thuyết của mình có khả năng hoàn chỉnh Mô hình chuẩn của vật lý hạt cơ bản. Mô hình này mô tả các đối tượng nhỏ nhất trong tự nhiên và cách tác động giữa chúng. Đồng thời, phát minh là một bước quan trọng trong nỗ lực nhằm đưa ra một sự mô tả thống nhất đối với tất cả các lực của tự nhiên không cần để ý đến phạm vi không gian từ các khoảng cách nhỏ nhất trong các hạt nhân nguyên tử đến các khoảng cách khổng lồ của vũ trụ.

Tương tác mạnh (còn gọi là tương tác màu) tác động giữa các quark. Các hạt này cấu tạo lên các proton, notron và hạt nhân nguyên tử. Tiến bộ trong vật lý hạt cơ bản và sự liên quan của nó đến cuộc sống hàng ngày của chúng tađôi khi khó hiểu đối với bất kỳ ai không có kiến thức vật lý. Tuy nhiên, khi phân tích một hiện tượng xảy ra hàng ngày như một đồng xu quay ở trên bàn ta nhận thấy rằng các chuyển động của đồng xu thực ra bị tác động bởi các lực cơ bản giữa các khối xây dựng cơ bản là các proton, notron và electron. Thực tế là khoảng 80% trọng lượng của đồng xu phụ thuộc vào các chuyển động và quá trình ở bên trong các proton và notron, nghĩa là phụ thuộc vào tương tác giữa các quark. Giải Nobel năm 2004 xem xét đến tương tác này.

Gross, Politzer và Wilczek đã phát minh ra một tính chất của tương tác mạnh mà nó giải thích tại sao các quark chỉ có thể gần giống như các hạt tự do ở các năng lượng cao. Phát minh này tạo ra cơ sở cho lý thuyết tương tác màu (tên đầy đủ hơn là sắc động lực lượng tử QCD). Lý thuyết này đã được kiểm tra chi tiết đặc biệt là trong những năm gần đây tại Phòng thí nghiệm vật lý hạt cơ bản của Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân châu Âu CERN ở Geneva.

Lực cơ bản đầu tiên trong tự nhiên là lực hấp dẫn. Lực này không chỉ làm cho các vật rơi xuống mặt đất mà còn chi phối chuyển động của các hành tinh và các thiên hà. Lực hấp dẫn có thể xem là lực mạnh khi xem xét chẳng hạn như các hố lớn do các sao chổi tạo ra khi va phải Trái Đất hoặc các tên lửa khổng lồ đòi hỏi để đưa vệ tinh vào trong không gian. Tuy nhiên, trong thế giới vi mô lực hấp dẫn giữa các hạt như các electron và proton là cực yếu.

Ba loại lực cơ bản khác là lực điện từ, lực mạnh và lực yếu chi phối thế giới vi mô và được mô tả bởi Mô hình chuẩn. Qua các đóng góp của một số người đoạt Giải Nobel trước đây, Mô hình chuẩn có một vị trí rất quan trọng trong lý thuyết hạt cơ bản. Điều này là do mẫu này là mô tả toán học duy nhất tính đến cả thuyết tương đối của Einstein và cơ học lượng tử.

Mô hình chuẩn mô tả các quark, lepton và các hạt mang lực. Các quark xây dựng chẳng hạn như các proton và notron của các hạt nhân nguyên tử. Các electron mà chúng tạo ra lớp vỏ ngoài của các nguyên tử là các lepton và như người ta đã biết đến tận bây giờ không được cấu tạo từ bất cứ thành phần nào nhỏ hơn. Các nguyên tử kết hợp với nhau tạo thành các phân tử, các phân tử xây dựng lên các cấu trúc và theo cách này có thể tạo thành toàn bộ vũ trụ.

Tương tác điện từ chi phối đối với một số hiện tượng chung trong thế giới xung quanh ta như ma sát, hiện tượng từ,... Tương tác điện từ mà nó liên kết một electron và một proton trong một nguyên tử hyđro lớn gấp 1041lần so với ltương tác hấp dẫn. Ngoài sự khác biệt rất lớn về độ lớn, giữa hai tương tác này có một số sự tương tự. Độ lớn của cả hai tương tác đều giảm theo bình phương khoảng cách và có phạm vi tác dụng xa. Cả hai loại tương tác điện từ và tương tác hấp dẫn đều được thực hiện qua các hạt tải lực (force carrier) là graviton và photon (hạt ánh sáng). Ngược với photon, người ta còn chưa tìm thấy graviton. Phạm vi tác dụng xa của graviton và photon có thể được chứng minh dựa vào thực tế là chúng không có khối lượng nghỉ. Các photon từ Mặt Trời cần cho sự sống trên Trái Đất. Tuy nhiên, khi năng lượng được sinh ra từ sự tổng hợp hạt nhân ở tâm của Mặt Trời hai tương tác khác trong Mô hình chuẩn là tương tác mạnh và tương tác yếu cũng đóng vai trò quan trọng. Photon có một tính chất quan trọng là mặc dù nó là một hạt trung hòa về điện nhưng nó vẫn có khả năng liên kết với các điện tích. Điều đó giải thích tại sao các photon không tương tác với nhau.

Tương tác điện từ được mô tả bởi lý thuyết điện động lực lượng tử QED (Quantum ElectroDynamics). QED là một trong các lý thuyết vật lý thành công nhất. Lý thuyết này phù hợp với các kết quả thực nghiệm với độ chính xác khoảng một phần mười triệu. Nhờ lý thuyết này, Sin-tiro Tomonaga, Julian Schwinger và Richard Feynman đã được trao Giải Nobel Vật lý năm 1965. Một trong các lý do giải thích cho sự thành công của QED là vì phương trình trong lý thuyết này có chứa một hằng số nhỏ gọi là hằng số cấu trúc tế vi hay hằng số liên kết. Hằng số này có giá trị là 1/ 137 và nhỏ hơn đáng kể so với 1. Điều này tạo ra khả năng tính toán các hiệu ứng điện từ như là một khai triển chuỗi theo hằng số nhỏ. Đó là một phương pháp toán học đẹp đẽ gọi là lý thuyết nhiễu loạn do Feynman phát triển.

Một tính chất quan trọng của cơ học lượng tử trong lý thuyết QED là hằng số cấu trúc tế vi thay đổi theo năng lượng và nó tăng theo sự tăng năng lượng. Trong các máy gia tốc hiện nay chẳng hạn như máy gia tốc LEP ở CERN, giá trị đo được là 1/ 128 (khác với giá trị 1/ 137) ở các năng lượng tương ứng với khoảng 100 tỷ eV. Nếu sự phụ thuộc năng lượng của hằng số cấu trúc tế vi được mô tả bằng đồ thị thì đường cong biẻu diện sự phụ thuộc này nghiêng nhẹ lên phía trên. Các nhà vật lý lý thuyết nói rằng đạo hàm hay hàm beta là dương.

Tương tác yếu được thực hiện bởi các boson W±và Z0. Những hạt này không giống như photon và graviton và có khối lượng rất lớn (gần 100 lần khối lượng proton). Đó là lý do tại sao tương tác yếu có phạm vi tác dụng gần. Tương tác yếu tác động lên cả quark và lepton và chi phối đối với một số phân rã phóng xạ. Nó liên quan chặt chẽ với tương tác điện từ. Tương tác điện từ và tương tác yếu được thống nhất trong tương tác điện yếu (electroweak). Tương tác điện yếu đã được làm sáng tỏ vào những năm 1970. Gerardus 't Hooft và Martinus Veltman đã được trao Giải Nobel Vật lý năm 1999 cho hình thức luận cuối cùng của lý thuyết này.

Từ những năm 1960 người ta đã biết rằng proton và notron có cấu tạo là các quark. Tuy nhiên, thực kỳ lạ là không thể sản sinh các quark tự do. Một tính chất cơ bản của các quark là chúng bị giam giữ. Chỉ các khối tập hợp của các quark (gồm hai hoặc ba quark) có thể tồn tại tự do giống chẳng hạn như proton. Các quark có các điện tích bằng một phần điện tích của proton (-1/3 hoặc +2/3) và đặc tính kỳ lạ này của quark vẫn chưa được giải thích. Điện tích của quark còn có một tính chất đặc biệt là nó bị lượng tử hóa, nghĩa là nó chỉ có thể lấy các giá trị nào đó. Tính chất này được gọi là điện tích màu vì nó tương tự như khái niệm màu sắc.

Các quark có thể mang các điện tích màu đỏ, lam hoặc lục. Đối với mỗi một quark có một phản quark. Điều đó cũng giống như là electron có một phản electron là positron. Các phản quark có các điện tích màu phản đỏ, phản lam hoặc phản lục. Các khối tập hợp của các quark mà chúng có thể tồn tại tự do là trung hòa màu. Ba quark trong proton (u, u và d) có các điện tích màu khác nhau sao cho điện tích màu tổng cộng là trắng (hay trung hòa). Theo cùng một cách như các phân tử trung hòa điện có thể tạo ra các liên kết (qua sự hút giữa các phần dương và phần âm của chúng) sự trao đổi lực giữa các proton và notron trong các hạt nhân xảy ra qua các lực màu mà chúng giải phóng ra từ các quark và các hạt mang lực của chúng.

Lực giữa các quark được thực hiện bởi các gluon (xuất phát từ từ "hồ keo (glue)") mà chúng không có khối lượng giống như các photon. Tuy nhiên, các gluon ngược với photon ở chỗ chúng cũng có tính chất của điện tích màu gồm có một màu và một phản màu. Tính chất này làm cho lực màu trở nên phức tạp và khác với lực điện từ.

Trong một thời gian dài, các nhà vật lý tin rằng không thể tìm được một lý thuyết nhờ đó có thể tính được các hiệu ứng của tương tác mạnh giữa các quark theo cùng cách thức như đối với tương tác điện từ và tương tác yếu. Chẳng hạn như nếu xem xét tương tác giữa hai proton trong một hạt nhân có thể thu được các kết quả khá tốt bằng cách mô tả nó như là một sự trao đổi của các pi - meson. Ý tưởng này đã đưa Hideki Yukawa đến Giải Nobel Vật lý năm 1949. Tuy nhiên, cần có hằng số liên kết lớn hơn 1 mà điều đó có nghĩa là không thể sử dụng các tính toán nhiễu loạn của Feynman như mô tả trên đây. Không may là cho đến nay chưa có một phương pháp thích hợp để tính đến các hiệu ứng của tương tác mạnh như thế.

Tình hình dường như tồi tệ hơn đối với các năng lượng cao. Nếu hàm beta là dương (cách để hằng số liên kết thay đổi theo năng lượng), tương tác sẽ mạnh hơn và các tính toán trở nên vô lý hơn.

Nhà vật lý lý thuyết Đức Kurt Symanzik nhận thấy rằng cách duy nhất để đạt được một lý thuyết hợp lý là đi tìm một lý thuyết với một hàm beta âm. Điều đó cũng sẽ giải thích tại sao các quark đôi khi có thể xuất hiện như các hạt tự do ở bên trong proton. Hiệu ứng này có thể xuất hiện trong các thực nghiệm tán xạ giữa các electron và proton.

Không may là tự Symanzik không tìm ra được một lý thuyết như thế và mặc dù Gerardus 't Hooft đã tiến rất gần đến việc phát hiện ra lý thuyết này vào mùa hè năm 1972, các nhà vật lý đã mất hết hi vọng vì tất cả các lý thuyết thực tế đều có hàm beta dương. Bây giờ chúng ta biết rằng điều đó là không chính xác bởi vì vào tháng 6 năm 1973 Gross, Politzer và Wilczek đã tìm ra lý thuyết với hàm beta âm và công bố kết quả của họ trong hai Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 báo đăng trên tạp chí "Physical Review Letters" (một Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 của Gross và Wilczek và một Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 của Politzer). Khi đó, Wilczek và Politzer còn rất trẻ và đang là nghiên cứu sinh.

Nhờ các lý thuyết của Gross, Politzer và Wilczek, các hạt tải lực (các gluon) có một tính chất đặc biệt khôngai ngờ tới là chúng không chỉ tương tác với các quark mà còn tương tác với nhau. Tính chất này có nghĩa là các quark càng gần nhau, điện tích màu càng yếu và tương tác càng yếu. Các quark tiến lại gần nhau khi năng lượng tăng. Vì thế, cường độ tương tác giảm theo năng lượng. Tính chất này gọi là sự tự do tiệm cận và có nghĩa là hàm beta âm. Mặt khác, cường độ tương tác tăng theo sự tăng khoảng cách. Điều đó có nghĩa là một quark không thể thoát khỏi một hạt nhân nguyên tử. Lý thuyết của Gross, Politzer và Wilczek đã được xác nhận bằng các thực nghiệm. Trong các thực nghiệm này, các quark bị bẫy trong các nhóm ba (triplet) ở bên trong proton và neutron nhưng không thể được xem như các hạt (grain) trong các thực nghiệm thích hợp.

Sự tự do tiệm cận tạo cho nó khả năng tính được tương tác của các quark và gluon ở khoảng cách nhỏ nếu giả thiết rằng chúng là các hạt tự do. Khi các hạt với các năng lượng rất cao va chạm với nhau có thể làm cho chúng ở đủ gần nhau. Trên cơ sở sự tự do tiệm cận, người ta xây dựng một lý thuyết gọi là Sắc động lực lượng tử QCD (lý thuyết này cũng có nghĩa là sự tự do một cách tiệm cận) và nhờ đó lần đầu tiên người ta thực hiện được các tính toán phù hợp tuyệt vời với thực nghiệm. Đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số liên kết vào năng lượng theo dự đoán của sự tự do tiệm cận trong lý thuyết QCD là một đường cong đi xuống (hàm beta âm) và đường cong này phù hợp rất tốt với đường cong thực nghiệm.

Một chứng minh quan trọng của lý thuyết QCD được đưa ra bởi các va chạm giữa các electron và các phản hạt của chúng là các positron với động năng rất cao khi chúng hủy lẫn nhau. Theo phương trình Einstein E = mc2, động năng có thể được biến đổi thành các hạt mới chẳng hạn như các quark có khối lượng và động năng. Các quark này được sinh ra rất mạnh trong quá trình, rất gần nhau nhưng chuyển động ra xa nhau với vận tốc cực cao. Nhờ sự tự do tiệm cận trong lý thuyết QCD bây giờ có thể tính được quá trình này.

Người ta nhận thấy rằng khi các quark chuyển động ra xa nhau, chúng bị ảnh hưởng bởi các lực mạnh ngày càng tăng lên và các lực này cuối cùng dẫn đến phát sinh các hạt quark và phản quark mới. Do đó xuất hiện cơn mưa (shower) hạt tương ứng theo hướng của các quark và phản quark ban đầu. Nhưng quá trình "ghi nhớ" phần tự do tiệm cận đầu tiên có thể tính được và cung cấp một giá trị đối với xác suất xảy ra các sự kiện cơn mưa hai (two-shower) này mà nó phù hợp với các quan sát.

Việc xảy ra cơn mưa ba (three-shower) (mưa quark, mưa phản quark và mưa gluon) đã được phát hiện thấy trên máy gia tốc DESY tại Hamburg vào cuối những năm 1970. Điều này tạo ra chứng cớ có sức thuyết phục hơn và có thể được giải thích như là một gluon phát ra xa một quark hoặc một phản quark.

Sự tự do tiệm cận trong lý thuyết QCD cũng cung cấp cho các nhà vật lý một cách giải thích về một hiện tượng mà Friedman, Kendall và Taylor (Giải Nobel Vật lý năm 1990) quan sát thấy trên máy gia tốc Stanford. Các thành phần tích điện của proton có dáng điệu như các hạt tự do khi chúng va chạm với nhau với nhau mạnh đến mức chúng đạt được năng lượng cao. Bằng cách bổ sung đồng thời xung lượng của proton mà nó tạo nên các thành phần tích điện (các quark) rõ ràng là khoảng một nửa xung lượng của proton chính là các gluon.

Ảnh hưởng lớn nhất của sự tự do tiệm cận trong lý thuyết QCD có lẽ là nó mở ra khả năng của sự mô tả thống nhất đối với các lực của tự nhiên. Khi kiểm tra sự phụ thuộc năng lượng của các hằng số liên kết đối với tương tác điện từ, tương tác yếu và tương tác mạnh, rõ ràng là chúng hầu như nhưng không phải hoàn toàn đều thỏa mãn tại một điểm và có cùng giá trị tại một năng lượng rất cao. Nếu chúng thực sự thỏa mãn tại một điểm, có thể giả thiết rằng ba tương tác nói trên đã được thống nhất. Và giấc mơ từ lâu của các nhà vật lý muốn mô tả các định luật của tự nhiên bằng ngôn ngữ đơn giản nhất có khả năng trở thành hiện thực.

Tuy nhiên, Mô hình chuẩn cần một sự thay đổi nào đó để giấc mơ thống nhất các lực của tự nhiên trở thành hiện thực. Sự thay đổi đó có thể là cần đưa vào một tập hợp các hạt mới gọi là các hạt siêu đối xứng (supersymmetric particles). Các hạt này có thể có khối lượng đủ nhỏ và được nghiên cứu trên máy gia tốc "Bộ va chạm hadron lớn LHD (Large Hadron Collider)" tại CERN ở Gênva.

Nếu người ta phát hiện thấy sự siêu đối xứng, nó sẽ là sự trợ giúp mạnh mẽ cho các lý thuyết dây (string theory) trong việc thống nhất tương tác hấp dẫn với tương tác tác điện từ, tương tác yếu và tương tác mạnh. Mẫu chuẩn cũng cần thay đổi nhằm bao hàm các tính chất của neutrino phát hiện gần đây (neutrino có khối lượng khác không). Ngoài ra, có lẽ điều này sẽ dẫn đến một cách giải thích về một số các bí ẩn vũ trụ khác như chất đen (dark matter) mà nó dường như chi phối không gian. Không kể đến sự phát triển này, rõ ràng là phát minh kỳ diệu không thể ngờ tới về sự tự do tiệm cận trong lý thuyết QCD làm thay đổi cơ bản hiểu biết của chúng ta về các cách thức mà nhờ đó các lực cơ bản của tự nhiên tác động trong thế giới của chúng ta.

PGS.TS Nguyễn Quang Học
Nguồn phys.hnue.edu.vn
 
Last edited:
Nobel Vật lí 2003


Ngày 7 tháng 10 năm 2003 Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã chính thức công bố quyết định trao tặng Giải thưởng Nobel Vật lý năm 2003 cho công dân Mỹ (và Nga) Aleksei A. Abrikosov (1928-) ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne ( Argonne, Illinois, Mỹ), công dân Nga Vitaly L. Ginzburg (1916-) ở Viện Vật lý P.N. Lebedev, Viện Hàn lâm Khoa học Nga ( Moscow, Nga) và công dân Anh và Mỹ Anthony J. Leggett (1938-) ở Đại học Tổng hợp Illinois (Illinois, Mỹ) "vì những đóng góp có tính tiên phong đối với các lý thuyết về hiện tượng siêu dẫn (superconductivity) và siêu chảy ( superfluidity)".

Ba nhà vật lý nói trên đã có những đóng góp mang tính quyết định liên quan đến hai hiện tượng trong vật lý lượng tử là hiện tượng siêu dẫn và hiện tượng siêu chảy. Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng trong đó điện trở của một số vật rắn đột ngột giảm về 0 khi nhiệt độ của chúng giảm xuống dưới một nhiệt độ ngưỡng nhất định gọi là nhiệt độ tới hạn. Hiện tượng siêu dẫn có ý nghĩa thực tiễn vô cùng to lớn đối với khoa học và công nghệ hiện đại. Có thể nêu ra một số ví dụ điển hình như truyền tải điện năng và dữ liệu không bị tổn hao, nam châm siêu dẫn với từ trường siêu mạnh, cảm biến (sensor) siêu nhạy dựa trên hiện tượng giao thoa lượng tử, máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân. Cũng cần nói thêm rằng hai nhà sáng chế ra máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân cũng được nhận Giải thưởng Nobel Y Sinh học năm 2003. Một trong những ứng dụng gây ấn tượng nhất của hiện tượng siêu dẫn là những tàu hoả siêu tốc chạy trên đệm từ hoạt động dựa trên hiệu ứng Meissner ( hiệu ứng bay lơ lửng trong từ trường).

Hiện tượng siêu chảy là hiện tượng trong đó độ nhớt của một số chất lỏng giảm đột ngột về không ở nhiệt độ rất thấp. Kết quả là chất lỏng đó có thể chảy hoàn toàn tự do mà không hề chịu một sức cản nào. Việc khảo sát hiện tượng siêu chảy cho phép đi sâu nghiên cứu những quá trình xảy ra bên trong vật chất khi nó ở trạng thái có năng lượng thấp nhất và có trật tự cao nhất.

Kiến thức về các chất lỏng siêu lỏng có thể đem lại cho chúng ta sự hiểu biết sâu sắc hơn về dáng điệu của vật chất ở các trạng thái trật tự nhất và trật tự kém nhất của nó.

Lịch sử của hai hiện tượng siêu dẫn và siêu chảy đều được khởi đầu cùng với việc hóa lỏng thành công chất khí hêli vào năm 1908 tại phòng thí nghiệm của H. Kamerlingh - Onnes ở Leiden ( Hà Lan). Hầu như trong suốt 15 năm sau đó, phòng thí nghiệm này là nơi duy nhất trên thế giới có thể tạo ra hêli lỏng và có thể tiến hành những nghiên cứu trong lĩnh vực nhiệt độ thấp từ 4,2 đến 77K. Năm 1911, Kamerlingh - Onnes và đồng sự đã phát hiện thấy rằng điện trở của thủy ngân giảm đột ngột về 0 khi nhiệt độ của nó xấp xỉ nhiệt độ sôi của hêli. Hai năm sau, Kamerlingh - Onnes đã được trao tặng Giải Nobel Vật lý vì phát minh này. Cho đến nay, người ta đã phát hiện nhiều vật liệu siêu dẫn ở dạng hợp kim hoặc dạng gốm có nhiệt độ tới hạn khác nhau.

Các chất siêu dẫn được chia làm hai loại là loại I và loại II. Ở trạng thái siêu dẫn, các chất siêu dẫn loại I hoàn toàn không cho từ trường thấm sâu qua bề mặt của nó vào bên trong và là một chất nghịch từ lý tưởng. Các chất siêu dẫn loại II chấp nhận sự có mặt đồng thời của trạng thái siêu dẫn và từ trường mạnh và là loại chất siêu dẫn có nhiều ứng dụng kỹ thuật quan trọng. Lý thuyết giải thích hiện tượng siêu dẫn của chất siêu dẫn loại I được ba nhà vật lý người Mỹ là J. Bardeen, L.N. Cooper, R.J. Schrieffer đưa ra năm 1957. Theo lý thuyết BCS ( gọi theo ba chữ đầu của tên các tác giả) thì nguyên nhân làm xuất hiện hiện hiện tượng siêu dẫn là do hiện tượng tạo cặp electron trong chất siêu dẫn loại I ở nhiệt độ thấp. Sự tạo cặp electron này xảy ra là nhờ tương tác của các electron với mạng tinh thể ( còn gọi là tương tác electron - phonon). Vì các electron mang điện cùng dấu nên bình thường chúng không thể kết đôi được. Cặp electron đó sẽ có spin nguyên ( hạt bozon) và có khả năng ngưng kết ở trạng thái lượng tử với mức năng lượng thấp nhất. Trong trạng thái siêu dẫn, các electron ghép đôi khi di chuyển bên trong tinh thể sẽ không tương tác với các nút mạng, nghĩa là chất siêu dẫn khi đó chuyển tải dòng điện mà không có điện trở. Năm 1972, J. Bardeen, L.N. Cooper và R.J. Schrieffer đã được trao Giải Nobel Vật lý. Tuy nhiên, lý thuyết BCS không giải thích được cơ chế hiệu ứng siêu dẫn trong các chất siêu dẫn loại II vì các electro ghép đôi bắt buộc đẩy từ trường ra khỏi khối chất siêu dẫn.

Ở các nhiệt độ thấp (một vài độ trên không độ tuyệt đối), một kim loại nào đó mất điện trở và trở thành vật siêu dẫn. Các vật liệu siêu dẫn như thế cũng có tính chất làm dịch chuyển toàn bộ hoặc một phần các dòng từ. Các vật liệu siêu dẫn làm dịch chuyển toàn bộ các dòng từ được gọi là các siêu dẫn loại I. Lý thuyết BCS đã giải thích được hiện tượng đó. Tuy nhiên, lý thuyết này dựa trên cơ sở một thực tế là các cặp điện tử tạo thành không đủ để giải thích hiện tượng siêu dẫn trong các vật liệu quan trọng nhất về mặt kỹ thuật. Các siêu dẫn loại II cho phép hiện tượng siêu dẫn và hiện tượng từ tồn tại đồng thời và duy trì tính siêu dẫn trong các từ trường mạnh. Aleksei Abrikosov đã thành công trong việc giải thích hiện tượng này về phương diện lý thuyết. Điểm xuất phát của ông là một lý thuyết do Vitaly Ginzburg và những người khác xây dựng cho siêu dẫn loại I. Abrikosov chứng minh lý thuyết này có tính bao quát đến mức nó cũng có giá trị cho cả siêu dẫn loại II. Mặc dù các lý thuyết này được đưa ra vào những năm 50 của thế kỷ trước, chúng có giá trị quan trọng mới trong sự phát triển nhanh chóng của các vật liệu với các tính chất hoàn toàn mới. Hiện nay các vật liệu có thể đạt được trạng thái siêu dẫn ở các nhiệt độ ngày càng cao và các từ trường ngày càng mạnh.

Hiện tượng siêu chảy của hêli được nhà vật lý Xô Viết P.L. Kapitsa phát minh năm 1938. Khi hạ nhiệt độ của hêli lỏng đến dưới 2,2 K, trong chất hêli lỏng xuất hiện một pha mới gọi là pha hêli siêu chảy hay hêli II ( để phân biệt với hêli I là hêli lỏng ở trạng thái bình thường không siêu chảy). Đặc điểm nổi bật của hêli II là độ nhớt của nó bằng không, nghĩa là nó hoàn toàn không chịu ma sát với thành ống mà nó chảy qua. Người ta đã làm thí nghiệm đo độ nhớt của hêli II bằng cách cho nó chảy qua một khe hẹp có chiều rộng chỉ bằng 0,5 mm được tạo bởi hai tấm thủy tinh phẳng đã mài nhẵn. Ngay cả trong điều kiện đó cũng không hề phát hiện thấy hêli II có một chút độ nhớt nào, tức là hêli siêu chảy có thể chảy qua khe hẹp đó một cách hoàn toàn tự do. Hiện tượng siêu chảy được giải thích dựa trên những tính chất đặc biệt của hêli ở trạng thái lỏng. Hêli lỏng là một chất lỏng đặc biệt. Nó là chất lỏng lượng tử mà mỗi hạt của nó là một nguyên tử He-4 và là một hạt có spin nguyên. Lưu ý rằng trong tự nhiên, đồng vị He-4 chiếm hầu như 100% thành phần của hêli, đồng vị He-3 chỉ chiếm có 0,0001%. Trong những điều kiện nhất định, các hạt có spin nguyên ( gọi là hạt bozon) có thể bị ngưng kết ở trạng thái với năng lượng thấp nhất và khi đó chúng sẽ không trao đổi năng lượng và xung lượng với bên ngoài. Điều đó có nghĩa là chúng sẽ không chịu ma sát và ở trong trạng thái siêu chảy. Theo lý thuyết này, He-3 ở trạng thái lỏng không thể là một chất siêu chảy vì nguyên tử đồng vị He-3 có spin bán nguyên không phải là hạt bozon.

Heli lỏng có thể trở thành chất siêu chảy, nghĩa là độ nhớt của nó biến mất ở các nhiệt độ thấp. Các nguyên tử của He-3 đồng vị hiếm cần phải tạo ra các cặp tương tự với các cặp điện tử trong các siêu dẫn kim loại. Cách để các nguyên tử tương tác và sắp xếp trật tự trong trạng thái siêu chảy đã được giải thích trong lý thuyết của Anthony Leggett từ những năm 70 của thế kỷ trước. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra cách để sự trật tự này chuyển thành sự hỗn độn hay nhiễu loạn mà nó là một trong những vấn đề chưa được giải quyết được của vật lý cổ điển.

Ba nhà vật lý đoạt Giải Nobel Vật lý năm 2003 đều thành đạt từ khi còn rất trẻ ( cả ba đều bảo vệ luận án tiến sĩ và tiến sĩ khoa họ ở tuổi dưới 30) và được trao Giải Nobel khi tuổi đã cao. Người "trẻ nhất" là A.J. Leggett - 65 tuổi, còn người cao tuổi nhất là V.L. Ginzburg - 87 tuổi. Cả ba đều là những chuyên gia nổi tiếng thế giới và có nhiều công trình nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau của vật lý học.

Aleksei A. Abrikosov là nhà vật lý Mỹ gốc Nga. Ông sinh năm 1928 ở Moscow (Nga). Abrikosov tốt nghiệp khoa Vật lý của Đại học Tổng hợp Moscow mang tên M.V.Lomnosov năm 1948. Ông đạt được học vị tiến sĩ vật lý năm 1951 tại Viện Các vấn đề vật lý ở Moscow với đề tài về lý thuyết khuếch tán nhiệt trong các plasma và sau đó là học vị tiến sĩ khoa học toán lý năm 1955 ở cùng viện với đề tài về lý thuyết điện động lực lượng tử ở các năng lượng cao. Abrikosov đã làm việc tại Viện Các vấn đề vật lý (1948-1965), Viện Vật lý lý thuyết mang tên L.D. Landau (1966-1988), Viện Vật lý áp suất cao mang tên L.F. Vereschagin (1989-1991) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô. Ông là viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô (1988), giáo sư Đại học Tổng hợp Moscow mang tên M. V. Lomonosov (1966). Từ năm 1966 Abrikosov làm việc theo hợp đồng ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne ( Mỹ). Ông là nhà khoa học Argonne nổi bật tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne ( Argonne, Illinois, Mỹ). Abrikosov làm việc trong Nhóm lý thuyết chất đậm đặc của bộ phận khoa học vật liệu. Năm 1975 ông được trao tặng bằng tiến sĩ danh dự của Đại học Lausanne ( Thụy Sĩ). Ông đã làm việc tại một số cơ quan khoa học và trường đại học ở Nga. Trong cuộc đời khoa học của mình, Abrikosov đã thành công trong nhiều lĩnh vực nhưng chủ yếu là lý thuyết của các vật rắn như các siêu dẫn, kim loại, bán kim loại và bán dẫn. Ông nổi tiếng do phát hiện ra các siêu dẫn loại II và các tính chất từ của chúng. Abrikoson là người có công xây dựng lý thuyết giải thích tính siêu dẫn của các chất siêu dẫn loại II trên cơ sở phát triển lý thuyết Landau-Ginzburg. Ông đã xây dựng lý thuyết về sự bất ổn định trong các chất siêu dẫn (1957). Sự bất ổn định đó tương ứng với sự xuất hiện của một trạng thái hỗn hợp mà khi đó các pha siêu dẫn và không siêu dẫn cùng tồn tại. Ở trạng thái đó, từ thông có thể thẩm thấu vào chất siêu dẫn thành những phần rời rạc ( lượng tử). Các lượng tử này tạo thành cái gọi là "mạng các cuộn xoáy từ Abrikosov". Chính trạng thái hỗn hợp này được hình thành trong các chất siêu dẫn loại II trong một khoảng giá trị nhất định của từ trường. Năm 1991 Abrikosov làm việc tại bộ phận khoa học vật liệu của Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne. Ở Argonne, ông nghiên cứu về lý thuyết siêu dẫn nhiệt độ cao, các tính chất của các manganate CMR, nghiên cứu MSD cùng các nhà thực nghiệm, phát minh ra cái gọi là "từ trở lượng tử". Abrikosov còn là viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia (Mỹ), viện sĩ nước ngoài của Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học (Mỹ) và hội viên nước ngoài của Hội Khoa học Hoàng gia London. Ông đã được trao tặng nhiều giải thưởng của Nga và quốc tế.

Vitaly Lazarevic Ginzburg sinh năm 1916 tại Moscow (Nga). Ông tốt nghiệp Đại học Tổng hợp Moscow mang tên M.V. Lomonosov, bảo vệ luận án tiến sĩ năm 1940 và bảo vệ luận án tiến sĩ khoa học toán lý năm 1942. Ginzburg được bầu là viện sĩ thông tấn Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô năm 1953, viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô năm 1966. Liên tục từ năm 1940 đến nay ông làm việc tại Phòng Vật lý lý thuyết mang tên I.E. Tamm, Viện Vật lý mang tên P.N. Lebedev thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô ( nay là Viện Hàn lâm Khoa học Nga). Ông là giáo sư Đại học Tổng hợp Gorki (1945-1961), trưởng bộ môn Các vấn đề của vật lý và vật lý thiên văn của Trường Kỹ sư vật lý Moscow ( 1968 đến nay). Ông nghiên cứu lý thuyết điện segnet, lý thuyết chuyển pha của siêu dẫn ( lý thuyết Ginzburg - Landau) trong chất đậm đặc; sự lan truyền sóng trong plasma, lý thuyết bức xạ synchrotron, lý thuyết phóng xạ chuyển tiếp trong vật lý plasma; nguồn gốc của tia vũ trụ, lý thuyết bức xạ vô tuyến pulsar, điện động lực của các lỗ đen.

Ngay từ những năm 1940 Ginzzburg đã cùng với nhà vật lý Xô Viết lỗi lạc Landau xây dựng lý thuyết về siêu dẫn dựa trên lý thuyết về chuyển pha loại II của Landau và dựa trên quan niệm về thông số trật tự. Lý thuyết đó được công bố vào năm 1950 và hiện nay được gọi là lý thuyết Landau-Ginzburg hay "lý thuyết Psi" về siêu dẫn. Lý thuyết Landau-Ginzburg đã giải quyết được một loạt vấn đề liên quan tới giải thích các tính chất của chất siêu dẫn loại I. Cùng với một số nhà vật lý khác, Ginzburg đã tìm kiếm những cơ chế khác dẫn đến hiện tượng siêu dẫn với hi vọng tìm được những chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Ngay từ những năm 1970, tức là trước khi G.J. Bednorz và K.A. Muller phát hiện ra chất siêu dẫn nhiệt độ cao đầu tiên cả chục năm, Ginzzburg đã tiên đoán rằng có thể tạo được những chất siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn trên 100K, thậm chí bằng nhiệt độ phòng. Ông cũng chỉ ra con đường tìm kiếm các chất siêu dẫn nhiệt độ cao là phải dựa trên những tương tác trao đổi loại khác so với tương tác electron - phônn ( chẳng hạn như dựa trên tương tác electron - exciton) vì với cơ chế tương tác electron - phonon khó có thể đạt được nhiệt độ tới hạn trên 100K. Hơn nữa, Ginzburg đã chỉ ra một cấu trúc mà ở đó có thể hi vọng tìm thấy siêu dẫn nhiệt độ cao là cấu trúc sandwich ( cấu trúc này gồm một chất siêu dẫn được kẹp giữa hai chất bán dẫn). Những nghiên cứu và lời tiên tri của Ginzburg đã đem lại niềm tin cho không ít các nhà nghiên cứu trên con đường tìm kiếm chất siêu dẫn nhiệt độ cao.

Vitaly Ginzburg là một trong những nhà vật lý lớn nhất của thế kỷ XX và là một nhà kinh điển trong khoa học. Ginzburg bao giờ cũng là người lao động cật lực trong lĩnh vực vật lý. Ông không hề biết đến ngày nghỉ hoặc ngày lễ. Có cảm tưởng như trí lực của ông không phù hợp với sự nghỉ ngơi. Và chính vì thế mà ông đã khá nhanh chóng trở thành nhà vật lý với chữ vật lý viết hoa. Cũng phải nói rằng Ginzburg đã gặp may. Ông ra đời vào thời buổi nền vật lý lớn mới chỉ bắt đầu, tuổi thơ và tuổi trẻ của ông gặp thời rộ hoa của nó và tuổi chín chắn của ông được đánh dấu bằng những bề sâu của nhận thức. Ông tốt nghiệp Đại học năm 1938 và chỉ hai năm sau đã vào làm việc trong một trung tâm nghiên cứu danh giá là Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học mà tại đó nhiều chục năm sau người ta vẫn còn có thể gặp ông. Kỳ thực ông còn là giáo sư Đại học Tổng hợp Gorki ngay từ sau chiến tranh. Khi chiến sự gay cấn, đã có nhiều nhà vật lý được "nếm" về đây. Sau đó, ở đây đã hình thành một trung tâm nguyên tử tuyệt đối bí mật nằm không xa Gorki là bao và điều đó khiến cho mối quan hệ giữa Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm với thành phố bên bờ sông Volga ngày càng thắt chặt hơn. Nói chung, Ginzburg với tư cách nhà vật lý lý thuyết đâu đâu cũng có mặt. Rất tiếc thời gian phôi pha không bảo tồn được tên công trình này hay công trình khác mà Ginzburg đã tham gia. Viện sĩ Yulia Hariton - người từng đứng đầu chương trình chế tạo vũ khí hạt nhân than thở rằng:"Chúng tôi không nghĩ tới chuyện đó. Trong hồ sơ tài liệu cũng như trong đầu óc của chúng tôi không còn lưu giữ được những thứ mà theo tôi còn cần thiết cho đến ngày hôm nay: không phải là làm mất trách nhiệm cá nhân mà là tác quyền của những kết quả thí nghiệm hay công trình nghiên cứu lý thuyết ấy, đặc biệt là những ý tưởng... Nguyên tắc bí mật hối ấy thật gắt gao. Không ai biết đồng nghiệp của mình đang làm gì dù ở ngay phòng bên cạnh, thậm chí ở ngay bàn bên cạnh. Vì thế bây giờ không thể xác lập được cụ thể ý tưởng nào thuộc về ai nữa. Thông thường , các ý tưởng nảy sinh từ những cuộc thảo luận tập thể. Ginzburg có tham gia chế tạo vũ khí hạt nhân nhưng ông không trực tiếp làm việc trong chương trình Arzamas-16. Từ một trung tâm tuyệt mật người ta đã phân phát "hợp đồng" đến các nhà vật lý khác nhau và những phòng thí nghiệm khác nhau. Tất nhiên, chỉ có thể đoán già đoán non về tính chất của những công trình nghiên cứu đó... Những báo cáo được soạn thảo, những thí nghiệm được tiến hành và đôi khi những ý tưởng được bàn bạc trong phạm vi hẹp. Phần việc của các nhà vật lý chỉ dừng lại ở đó. Đôi khi có phần thưởng nữa và lúc bấy giờ mới biết được công trình của mình rất đắc dụng. Trong Từ điển Bách khoa chỉ viết:"Vào khoảng 1950-1951 (Ginzburg) có làm việc trên những vấn đề về phản ứng nhiệt hạch". Vẻn vẹn chỉ một câu thôi nhưng đằng sau nó là một trong những trang nặng nề nhất trong lịch sử vật lý và trong cuộc đấu tranh tư tưởng. Bom nguyên tử thì đã chế tạo xong và đã được thử nghiệm rồi. Sức công phá của nó đã được kiểm chứng không chỉ ở thao trường mà ở cả Hirosima và Nagasaki. Tuy nhiên, các nhà lý thuyết còn chứng minh được rằng có thể chế tạo được một siêu vũ khí mạnh hơn bom nguyên tử gấp nhiều lần. Đó là bom khinh khí. Thế là bắt đầu cuộc chạy đua không tuyên bố giữa Livermor ( Mỹ) và Arzamas. Ở bên kia đại dương, người đứng đầu chương trình là Eduard Teller, còn bên này là Andrei Sakharov. Đằng sau mỗi người đó là hàng trăm nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm. Teller ban đầu đã mắc sai lầm và con đường của ông ta dẫn đến ngõ cụt. Sakharov cùng các đồng nghiệp đã vượt lên trước người Mỹ. Ngay cả Teller đầy kiêu ngạo cũng phải thừa nhận là Sakharov đã thắng trong cuộc chạy đua này. Năm 1953. Vitaly Ginzburg nhận Giải thưởng Quốc gia. Tất cả đều hiểu rằng đó là sự đánh giá những cống hiến của ông trong việc chế tạo vũ khí hạt nhân. 13 năm sau, viện sĩ Ginzburg lại được trao Giải thưởng Lênin. Và lần này, đó là sự đánh giá đối với các công trình của ông ở một lĩnh vực hoàn toàn khác. Đó là "Giải thưởng cho sự nhận thức và tìm hiểu các quá trình diễn ra trong chiều sâu của vũ trụ" ".

Đối với một nhà khoa học thì cái chính là tính độc đáo. Vitaly Lazarevic Ginzburg có quyền đưa vào bản "báo công" của mình cả những công trình về lý thuyết truền sóng trong tầng điện ly, về thiên văn vô tuyến, về nguồn gốc các tía vũ trụ, về lý thuyết siêu dẫn, các công trình về quang học, về bức xạ và về vật lý thiên văn,v.v... Một điều lạ là hồi trẻ ông đã từng làm việc với Lev Landau và xây dựng nên lý thuyết siêu dẫn. Đến khi đứng tuổi, ông lại tranh luận đến cùng với Zeldovits - người đang cố xây dựng một lý thuyết về nguồn gốc vũ trụ. Nói chung, Ginzburg là một nhà vật lý vũ trụ. Theo ông, huyền thoại cho rằng không gian giữa các hành tinh là sự trống rỗng hoàn toàn đã bị bác bỏ từ lâu rồi. Đến nay chẳng còn ai nghi ngờ gì nữa vào điều này. Tất cả các thiên thể đều đang chuyển động trong môi trường plasma giữa các hành tinh hay giữa các vì sao và các nhà khoa học hiện nay đang nỗ lực để xác lập những tính chất của plasma đó. Đây là một trọng trách, một Đăng nhập vào bet365_link bet365 khi bị chặn_hướng dẫn đăng ký bet365 toán rất hóc búa nhưng cấp thiết bởi vì con người đã giữ được xiềng xích của sức hút Trái Đất và trở thành cư dân của Hệ Mặt Trời.

Trong cuộc trò chuyện với nhà bình luận khoa học nổi tiếng của báo Pravda được đăng đúng vào hôm Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển công bố danh sách các nhà khoa học được nhận Giải thưởng Nobel Vật lý năm 2003, Ginzburg còn kể :" I.S. Shklovski và tôi cùng với nhiều nhà thiên văn và vật lý khác đều bảo vệ ý kiến cho rằng nguồn của các tia vũ trụ là các sao siêu mới và có lẽ cả các sao mới nữa. Sự xuất hiện của các sao này đã được các nhà thiên văn Trung Hoa, Nhật Bản, Vizantin và các nhà thiên văn khác quan sát thấy từ thời cổ đại. Hiện nay, người ta đã xác lập được một cách chắc chắn rằng cỡ khoảng một lần trong vòng 50 - 100 năm sẽ bùng nổ một sao siêu mới - ngôi sao có độ sáng cực mạnh. Thật đáng tiếc là chúng ta không thể quan sát được tất cả những sự bùng sáng xảy ra trong thiên hà chúng ta vì phàn lớn chúng đều bị vật chất không trong suốt giữa các vì sao trong đĩa thiên hà của chúng ta che khuất. Như vậy là sao siêu mới bùng nổ. Tuy nhiên, niềm vui của các nhà thiên văn chẳng được bao lâu vì "đời sống quang học" của chúng quá ngắn ngủi. Ánh sáng do chúng phát ra dần dần yếu đi và qua một vài tháng chúng không còn gì nổi bật trên nền trời nữa. Các nhà thiên văn bây giờ chỉ có thể quan sát những khối khí lớn bay tung toé từ nơi nổ ra các phía khác nhau. Có thể "xem" các khí này qua các dụng cụ quang học mà đặc biệt là các kính thiên văn vô tuyến. Nguyên nhân và cơ chế tạo thành các sao siêu mới hiện nay vẫn còn là câu đố đối với các nhà khoa học. Chúng ta chỉ có thể giả định rằng nó diễn ra trong lòng sâu của thiên hà. Chẳng hạn có một giả thiết cho rằng trong ngôi sao bình thường do kết quả của sự tiến hóa, tất cả các proton và electron nhanh chóng kết hợp với nhau để tạo thành các neutron. Ngôi sao khi đó sẽ co mạnh lại để có kích thước nhỏ hơn. Và do đó dẫn tới sự bùng nổ và vật chất ở các lớp vỏ bên ngoài bị văng vào không gian. Những quan sát thiên văn vô tuyến đã cung cấp sự chỉ dẫn trực tiếp về sự tồn tại của một lượng lớn tia vũ trụ trong các lớp vỏ khí tạo ra do vụ nổ của các sao siêu mới. Người ta còn đưa ra giả thiết rằng sự gia tốc của các hạt diễn ra ngay trong chính lớp vỏ khí của sao dưới tác dụng của sóng xung kích. Tuy nhiên, khó có thể đồng ý với một giả thiết như vậy bởi vì trong quá trình đó, có lé các hạt không có đủ năng lượng để truyền cho tia vũ trụ. Năng lượng của chúng nhỏ hơn hàng chục, thậm chí hàng trăm lần. Rõ ràng là sóng xung kích chỉ có tác dụng ném ra không gian một khối lượng lớn các hạt từ trong lòng các ngôi sao và cung cấp cho chúng một vận tốc ban đầu nào đó không lớn lắm. Sau đó, các hạt này được tăng tốc dưới tác dụng của các từ trường biến thiên, nghĩa là quá trình này về một phương diện nào đó khá giống với sự gia tốc của các hạt trong các máy gia tốc bình thường trên Trái Đất. Nói một cách khác, thiên hà của chúng ta là một máy gia tốc tự nhiên khổng lồ mà công suất của nó lớn tới mức chúng ta khó lòng hình dung nổi... Các tia vũ trụ lang thang theo mọi hướng trong khoảng không của thiên hà chúng ta. Chúng sống hàng trăm triệu, thậm chí hàng tỷ năm và sau thời gian đó chúng đã phiêu du được những khoảng cách rất lớn. Nhưng các tia vũ trụ không rời khỏi thiên hà của chúng ta. Nếu các hạt photon và neutrino chỉ xuyên qua thiên hà và mất hút ở đâu đó trong vũ trụ thì các tia vũ trụ hết sức trung thành với thế giới sao của chúng ta và trong cuộc đời dài lâu của mình chúng chỉ kịp có mặt ở nhiều xó xỉnh trong thiên hà. Vì vậy, nghiên cứu chúng có nghĩa là theo dõi thường xuyên mạch đập của thiên hà chúng ta".

Ngay từ đầu kỷ nguyên chinh phục vũ trụ, Ginzburg đã thường xuyên suy ngẫm về số phận của ngành du hành vũ trụ. Ông đã hi vọng rằng trên các vệ tinh nhân tạo sẽ ngày càng có nhiều những dụng cụ khác nhau chuyên để nghiên cứu các tia vũ trụ và các từ trường giữa các hành tinh. Đáng tiếc là những thí nghiệm như thế còn quá ít ỏi. Và mặc dù mới tồn tại hơn 40 năm nhưng ngành du hành vũ trụ đã có những đóng góp hết sức to lớn đối với sự phát triển của vật lý thiên văn. Lẽ ra đã có thể làm được nhiều hơn thế. Viện sĩ Ginzburg và nhiều đồng nghiệp của ông ở Viện Hàn lâm đều thấy tiếc về điều đó. Tuy nhiên, các nhà lý thuyết không đặc biệt cần lắm các thực nghiệm. Tất nhiên, sẽ là rất tốt nếu như những tính toán lý thuyết của họ được thực nghiệm xác nhận. Nhưng đối với nhà lý thuyết điều quan trọng hơn nhiều là các đồng nghiệp của anh ta nói gì và những tính toán của anh ta có đủ sức thuyết phục họ hay không. Nhà lý thuyết - đó là trí tưởng tượng phóng túng và nó càng khác thường bao nhiêu thì lại càng là hiện thực bấy nhiêu. Viện sĩ Ginzburg bằng kinh nghiệm cuộc đời lâu dài của mình đã rất tin vào điều đó.

Anthony J. Leggett là nhà vật lý Mỹ gốc Anh. Ông sinh năm 1938 tại London. Ông đạt được học vị tiến sĩ vật lý tại Đại học Tổng hợp Oxford ( Anh) năm 1964. Trong những năm 1964-1965 và 1967 Leggett tu nghiệp sau tiến sĩ tại Illinois ( Mỹ). Ông là giáo sư vật lý tại Đại học Tổng hợp Sussex ở Brighton ( Anh) cho đến năm 1983 và Đại học Tổng hơp Illinois ở Urbana-Champaign (Mỹ) từ năm 1983. Ông được ghi nhận rộng rãi là một chuyên gia hàng đầu thế giới trong lý thuyết vật lý nhiệt độ thấp và công trình tiên phong của ông về siêu lỏng được ghi nhận bằng Giải Nobel Vật lý năm 2003. Ông là viện sĩ của Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia ( Mỹ), Viện Hàn lâm Nghệ thuật và Khoa học, Viện Hàn lâm Khoa học Nga, hội viên Hội Triết học Mỹ, Hội Vật lý Mỹ, Hội Khoa học Hoàng gia London và nhiều tổ chức khoa học khác. Phạm vi nghiên cứu của ông bao gồm vật lý lý thuyết chất đậm đặc, các hiện tượng nhiệt độ thấp, các chất lỏng lượng tử, vật lý thống kê, các hệ lượng tử vĩ mô, lý thuyết đo đạc lượng tử.

Những nghiên cứu có tính đặt nền móng của Leggett đã giúp làm sáng tỏ nhiều vấn đề về siêu dẫn nhiệt độ cao và siêu chảy nhiệt độ thấp. Trong những năm 1970, ông đã xây dựng lý thuyết hoàn chỉnh về tương tác của các nguyên tử đồng vị He-3 ở nhiệt độ thấp và về tính siêu chảy của đồng vị hiếm này của hêli. Theo lý thuyết đó, các nguyên tử He-3 bình thường không phải là hạt bozon nhưng ở nhiệt độ thấp chúng có thể ghép đôi với nhau tương tự như các electron trong lý thuyết BCS để tạo thành các cặp nguyên tử có spin nguyên. Chất lỏng lượng tử He-3 mà trong đó các nguyên tử được ghép đôi ở nhiệt độ thấp phải có tính siêu chảy tương tự như đồng vị He-4. J. Bardeen - người hai lần nhận Giải thưởng Nobel Vật lý đã từng nhận xét về A.J. Leggett như sau:" Chắc hẳn một ngày nào đó Leggett sẽ nhận Giải thưởng Nobel vì lý thuyết về chất siêu chảy He-3, nếu không thì cũng vì một phát minh khác trong tương lai".

Giáo sư Leggett nổi bật vì những hiểu biết về các chất lỏng heli thông thường và siêu chảy cùng các chất siêu chảy ghép cặp mạnh khác. Các nghiên cứu của ông định hướng vào vật lý lượng tử của các hệ tiêu tán vĩ mô và việc sử dụng các hệ đậm đặc để kiểm tra các cơ sở của cơ học lượng tử. Các quan tâm nghiên cứu của ông chủ yếu nằm trong các lĩnh vực của vật lý lý thuyết chất đậm đặc và các cơ sở của cơ học lượng tử. Ông đặc biệt quan tâm đến khả năng sử dụng các hệ chất đậm đặc đặc biệt như các thiết bị Josephson để kiểm tra sự hợp lý của việc ngoại suy hình thức luận lượng tử đến mức vĩ mô. Điều quan tâm này dẫn đến một lượng công trình kỹ thuật đáng kể về ứng dụng của cơ học lượng tử cho những lượng thay đổi tập thể và đặc biệt là các cách để bao hàm sự tiêu tán vào trong các tính toán. Ông cũng quan tâm đến lý thuyết của He-3 siêu chảy, đặc biệt là trong những điều kiện không cân bằng mạnh, siêu dẫn nhiệt độ cao và các hệ khí nguyên tử ngưng tụ Bose mới được phát hiện.

Giải thưởng Nobel Vật lý năm 2003 được trao cho những nhà vật lý đã có cống hiến to lớn cho việc xây dựng các lý thuyết cho phép giải thích một cách sâu sắc hơn dòng chảy không bị cản trở của các chất lỏng lượng tử. Đây là lần thứ sáu các nghiên cứu trong lĩnh vực nhiệt độ thấp được trao Giải thưởng Nobel. Năm lần trước Giải thưởng Nobel đã đượ trao cho Heike Kamerlingh - Onnes ( Hà Lan) vì phát minh hiện tượng siêu dẫn (1913); Lev D. Landau ( Liên Xô cũ) vì những nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực vật lý các chất đông đặc, đặc biêt là về heli lỏng (1962); John Bardeen, Leon N. Cooper và Robert J. Schrieffer ( Mỹ) vì lý thuyết về chất siêu dẫn loại I là các kim loại và hợp kim (1972); Petr I. Kapitsa ( Nga) vì các phát minh và sáng chế trong lĩnh vực vật lý nhiệt độ thấp (1978) và George J. Bednorz ( Đức) và Karl A. Muller ( Thụy Sĩ) vì phát minh các chất siêu dẫn nhiệt độ cao là các vật liệu gốm (1987). Chắc hẳn trên chặng đường tiếp theo, nhiều phát minh kỳ diệu đang còn chờ đợi chúng ta.

PGS. TS Nguyễn Quang Học
Nguồn phys.hnue.edu.vn
 

Tài liệu mới

Top