Ban tin vat ly thang 9 nam 2007

Các nhà vật lí nghĩ rằng cách duy nhất để làm được việc này là làm cho vận tốc pha của ánh sáng trên quang trình bên trong vô hạn bằng cách sử dụng một siêu chất liệu có giá trị hằng [r]

BẢN TIN VẬT LÍ THÁNG 9/2007

hiepkhachquay thực hiện Tài liệu download tại http://www.thuvienvatly.com

An Minh, tháng 9/2007

Tiết lộ kế hoạch chế tạo transistor đơn photon

Các nhà vật lí ở Mĩ và Đan Mạch vừa tiết lộ kế hoạch chế tạo một dụng cụ giống như transistor hoàn toàn quang tính có thể bật mở bằng một photon đơn độc Dụng cụ đó – đến nay vẫn chưa chế tạo được – gồm một nguyên tử đơn độc có thể điều khiển sự đi qua của các photon riêng lẻ truyền dọc theo một dây nano mỏng Transistor đơn photon thuộc loại này có thể một ngày nào đó được dùng để chế tạo những máy dò photon hiệu suất cao, những hệ thống truyền thông quang, và máy tính lượng tử (Nature Physics doi:10.1038/nphys708)

Thường thì rất khó sử dụng các photon đơn độc từ một chùm ánh sáng để điều khiển một chùm khác vì các photon hiếm khi tương tác với nhau Các nhà vật

lí tin rằng phương pháp làm cho các photon tương tác với nhau là “đông lạnh” chúng vào những không gian nhỏ xíu như một chấm lượng tử hay cả một nguyên tử đơn độc trong một hộp quang Đông lạnh photon là cần thiết vì nó làm mạnh thêm trường điện từ của chúng, vì thế làm tăng cơ hội cho chúng tương tác với nhau

Mikhail Lukin và các nhà vật lí được mời đến tại trường đại học Harvard, cùng với một đồng nghiệp tại Viện Niels Bohr ở Copenhagen, vừa đề xuất một phương pháp mới thực hiện việc này bằng cách tập trung photon vào những dây nano kim loại nhỏ xíu Ở đây, chúng chuyển hóa thành plasmon mặt – dao động của electron dẫn – truyền dọc theo dây nano Quá trình này tương tự như gởi một sóng

vô tuyến dọc theo một sợi cáp đồng trục và đông lạnh photon vào một không gian nhỏ hơn bước sóng của chúng

Tương tác của plamon mặt đơn với một bộ phát đơn độc Biểu đồ a (trên): Bộ phát hai mức tương tác với dây nano Hai trạng thái ghép đôi qua mode plasmon mặt với cường độ g Biểu đồ b (dưới): Giản đồ một photon tới đơn độc bị tán xạ khỏi một bộ phát gần cộng hưởng Tương tác dẫn tới

trường phản xạ và trường truyền qua có cường độ được tính toán chính xác

Lukin và các đồng sự đã tính được nếu một nguyên tử đơn độc được đặt gần dây nano, nó sẽ hấp thụ xung plasmon đầu tiên truyền qua, để lại nguyên tử đó ở trạng thái kích thích Nguyên tử bị kích thích này sẽ không thể hấp thụ những photon kế tiếp và transistor sẽ ở trạng thái “on” Dụng cụ có thể chuyển sang “off”

bằng cách bắn một photon đơn độc khác hay một xung laser bình thường lên nó, làm cho trạng thái kích thích bị phá vỡ

Theo Lukin, tiện lợi của việc sử dụng dây nano – chứ không phải hộp quang – để đông lạnh photon là dụng cụ dây nano sẽ hoạt động trong một ngưỡng bước sóng rộng, trong khi hộp quang bị điều chỉnh và do đó sẽ chỉ hoạt động ở những tần

số nhất định

Các nhà nghiên cứu tin rằng có thể một ngày nào đó dụng cụ sẽ được sử dụng làm máy dò đơn photon rất hiệu quả trong truyền thông quang học Họ cũng chỉ ra rằng dụng cụ đó có thể đảm nhận vai trò một cổng logic lượng tử có thể sử dụng trong máy tính lượng tử Thách thức chủ yếu trong việc chế tạo dụng cụ thực

tế gồm việc nhận ra một nguyên tử thích hợp có thể ghép đôi mạnh với plasmon dây nano và kết nối cáp sợi quang với dây nano để đảm bảo các photon được truyền vào

và ra khỏi dụng cụ

Lukin nói với physicsworld.com rằng đội của ông đang thử chế tạo một dụng

cụ trong phòng thí nghiệm bằng các nguyên tử nhân tạo, ví dụ như chấm lượng tử

Hamish Johnston, Belle Dumé (physicsworld.com, 4/9/2007)

Sự tuyệt chủng của loài khủng long có liên quan tới sự va chạm thiên thạch

Từ lâu, người ta đã biết rằng một vật thể lớn đã đâm sầm vào bán đảo Yukatan ở Mexico hồi 65 triệu năm về trước, gây ra một thảm họa môi trường hầu như dứt khoát đã dẫn đến sự tuyệt chủng của loài khủng long Nay các nhà nghiên cứu ở Mĩ và cộng hòa Czech vừa thực hiện những chương trình mô phỏng máy tính cho thấy vật thể đó được tạo ra khi hai thiên thạch va vào nhau khoảng 160 triệu năm trước Vật thể nghi ngờ được cho là một khối đá có chiều ngang 10 km đã đâm vào va chạm với Trái Đất (Nature 449 48)

Nhiều nhà khoa học tin rằng miệng hố Chicxulub đường kính 180 km ở Mexico được tạo ra bởi một khối đá khổng lồ đến từ vành đai thiên thạch Nằm giữa Hỏa tinh và Mộc tinh, vành đai thiên thạch chứa khoảng 1 triệu vật thể có kích thước lớn hơn 1 km Một số trong những thiên thạch này tụ lại với nhau thành họ, chúng hình như đựợc tạo ra khi các thiên thạch va chạm lẫn nhau

Nay Bill Bottke và các đồng nghiệp ở Viện nghiên cứu Tây Nam ở Colorado,

Mĩ, và trường đại học Charles ở Prague, vừa phát hiện ra một họ thiên thạch mới và khẳng định rằng có 90% khả năng một trong số chúng đã tạo ra miệng hố Chicxulub Được đặt tên là họ thiên thạch Baptistina, đội nghiên cứu tin rằng nó hình thành khi hai thiên thạch lớn đường kính khoảng 60 km và 170 km va chạm nhau khoảng 160 triệu năm trước đây Bốn chương trình mô phỏng khác nhau xây dựng trên cơ sở nền kiến thức vật lí về sự va chạm và chuyển động hành tinh đã được sử dụng để lần tìm nguồn gốc và sự chuyển động sau đó của các mảnh vỡ va chạm

Đội nghiên cứu bắt đầu bằng việc thử tìm hiểu cách thức các thiên thạch vỡ

ra sau khi va chạm ở tốc độ hơn 10 000 km/h Việc này được thực hiện bằng “mã hydro” dạng số trước đây đã được vận dụng để lập mô phỏng các vụ nổ trên Trái Đất, gồm cả các vụ thử hạt nhân dưới lòng đất Những mô phỏng này cho thấy sự phân bố kích thước của các mảnh vỡ va chạm – thông tin đó sau đó được sử dụng cùng với những số đo thành phần hóa học của các thiên thạch để xác định thiên thạch nào là thành viên của gia đình Baptistina

Ảnh minh họa sự va chạm của hai thiên thạch hồi 160 triệu năm trước có thể đã tạo ra họ thiên thạch Baptistina (ảnh trên) Các mảnh vỡ của vụ va chạm này có thể đã đi đến hình thành nên miệng hố Tycho trên mặt trăng (hình dưới, bên trái) và miệng hố Chicxulub trên Trái Đất Đội nghiên cứu sử dụng một chương trình mô phỏng thứ hai để mô phỏng cách thức năng lượng nhiệt đến từ Mặt Trời làm cho những mảnh vỡ này lệch dần dần ra khỏi quỹ đạo của nó – cái gọi là hiệu ứng Yarkovsky Bằng cách chạy những

mô phỏng này lùi ngược lại thời gian, đội nghiên cứu khẳng định va chạm đó xảy ra cách nay đã 160 triệu năm

Các mô phỏng Yarkovsky sau đó được dùng chung với các mô hình mô phỏng cách thức chuyển động của các thiên thạch bị ảnh hưởng bởi sự va chạm với những thiên thạch khác để xác định xem có bao nhiêu mảnh vỡ lớn – kích thước hơn 1 km – bị đưa vào hành trình “thoát khỏi sự quản lí” trong vành đai thiên thạch Đấy là những vùng đặc biệt, trong đó lực hút hấp dẫn của những hành tinh ở gần, ví

dụ như Mộc tinh, có thể đưa chúng vào những quỹ đạo có khả năng đi tới va chạm với Trái Đất

Cuối cùng, đội nghiên cứu hướng sự chú ý vào chuyển động của các mảnh

vỡ khi chúng đi qua một cửa thoát và đâm vào Trái Đất Việc này được thực hiện bằng 4 chương trình máy tính thiết lập quỹ đạo của các mảnh vỡ bằng cách xét đến lực hấp dẫn của Mặt Trời và các hành tinh

Đội nghiên cứu tính được hàng chục thiên thạch 10 km hoặc lớn hơn bị đưa vào tình thế thoát khỏi vành đai thiên thạch và một ít trong chúng bị đưa vào quỹ đạo có thể va chạm với Trái Đất, cùng với nhiều vật thể nhỏ hơn Điều này có thể giải thích số lượng tương đối nhiều các miệng hố trên Trái Đất hình thành trong kỉ Phấn trắng, từ 145 đến 65 triệu năm trước Đội nghiên cứu cũng tin rằng có 70% khả năng một mảnh vỡ Baptistina lớn đã đâm sầm vào mặt trăng 108 triệu năm trước, tạo ra miệng hố Tycho rộng 85 km

Mối liên hệ giữa họ thiên thạch Baptistina và miệng hố Chicxulub được củng

cố thêm bởi công trình nghiên cứu của các nhà địa chất, theo đó thì miệng hố Chicxulub được hình thành bởi một tảng khổng lồ chondrite họ cacbon, loại chất cũng phổ biến trong họ Baptistina

Bottke trình bày với physicsworld.com rằng đội nghiên cứu hiện nay đang áp dụng phương pháp của họ đối với vài vụ va chạm thiên thạch đã biết khác có thể có liên quan tới những miệng hố trên Trái Đất

Hamish Johnston (physicsworld.com, 5/9/2007)

Trái Đất có thể sống sót khi Mặt Trời thành sao kềnh đỏ

Trong khoảng 5 tỉ năm, Mặt Trời sẽ tiêu thụ hết nhiên liệu hydrogen và phình to lên thành một sao kềnh đỏ choán đầy thể tích gấp 1000 lần hiện nay trước khi co trở lại thành một sao lùn trắng Không ai dám chắc chắn liệu Trái Đất có đủ gần để bị nuốt chửng bởi Mặt Trời phình to hay là sẽ tránh được thảm họa lửa hủy diệt đó Nhưng nay một đội nghiên cứu quốc tế vừa phát hiện ra một hành tinh trong một hệ mặt trời xa xôi hình như vừa qua khỏi pha kềnh đỏ của ngôi sao của

nó, mặc dù quỹ đạo ban đầu của nó tương tự như Trái Đất (Nature 449 189)

Khi Mặt Trời trở thành sao kềnh đỏ, nó sẽ dần dần mất khối lượng và ảnh hưởng tới quỹ đạo của các hành tinh, khiến người ta khó tiên đoán được điều gì sẽ xảy ra với chúng Các nhà khoa học cho rằng có thể Thủy tinh và Kim tinh sẽ bốc hơi khi bề mặt Mặt Trời dãn ra phía ngoài, còn số phận Trái Đất thì kém rõ ràng hơn

Một nghiên cứu do Roberto Silvotti đến từ Đài quan sát thiên văn Capodimonte ở Naples, Italia, và các đồng nghiệp đến từ Mĩ, Israel, và Đài Loan, thực hiện cho thấy các hành tinh quay xung quanh một ngôi sao – trong cự lí gấp hai lần khoảng cách Mặt Trời đến Trái Đất, hay 2 AU – có thể qua khỏi pha kềnh

đỏ Họ đã phân tích những quan sát về V391 Tegasi, một ngôi sao đã kết thúc pha kềnh đỏ khoảng 100 triệu năm trước khi, thật khác thường, nó thổi bay “lớp vỏ” hydrogen còn lại của nó Ở trạng thái hiện nay của nó, ngôi sao hiếm “hạ lùn trắng loại B” V391 Pegasi nở ra co lại khi nó hợp nhất helium thành cacbon trong lõi của

nó

Hình minh họa ngôi sao V391 Pegasi và các hành tinh quay quanh nó hồi 100 triệu năm trước, khi

ngôi sao ở trong pha kềnh đỏ phình to nhất của nó

Hơn 7 năm trời, Solvetti và các đồng nghiệp đã theo dõi cực đại của những dao động này, chúng xảy ra trung bình mỗi 6 phút, bằng cách ghi lại thông lượng

sáng đến từ ngôi sao đó Nhưng họ nhận thấy mỗi 3,2 năm cực đại lại bị lệch đi 5 giây sớm hơn hoặc muộn hơn, cho thấy ngôi sao phải đang dao động là kết quả của lực hút hấp dẫn của một bạn đồng hành khối lượng thấp có chu kì quỹ đạo này Với

độ chính xác 97%, họ tính được anh bạn đồng hành này là một hành tinh lớn xấp xỉ

10 tỉ năm tuổi – hành tinh đầu tiên được biết đang quay quanh một ngôi sao hậu kềnh đỏ

Quỹ đạo hiện nay của hành tinh nằm ở khoảng cách 1,7 AU, nhưng các nhà nghiên cứu ước tính trước pha kềnh đỏ, khi ngôi sao có khối lượng lớn hơn, quỹ đạo

đó sẽ gần hơn, có khả năng vào khoảng 1 AU Quỹ đạo Trái Đất được cho là sẽ tăng

từ 1 AU lên xấp xỉ 1,5 AU khi Mặt Trời mất dần khối lượng của nó, đồng thời chuyển thành một sao kềnh đỏ

Mặc dù có những tương đồng, nhưng Solvetti nói rằng khám phá đó không nhất thiết có nghĩa là sẽ tránh bị nuốt chửng giống như hành tinh quay xung quanh sao V391 Pegasi Nhưng ông hi vọng rằng khám phá đó sẽ là khám phá đầu tiên trong số nhiều khám phá sẽ cho phép các nhà vật lí dự đoán chính xác hơn số phận của Trái Đất

Tuy nhiên, cho dù là Trái Đất thực sự tai qua nạn khỏi, thì loài người sẽ vẫn phải đầu tư cho một số biện pháp bảo vệ sự tác động của Mặt Trời – các nhà nghiên cứu nghĩ rằng hành tinh của ngôi sao V391 Pegasi có nhiệt độ khoảng 200oC

Jon Cartwright (physicsworld.com, 12/9/2007)

Kính hiển vi điện tử vượt qua ngưỡng nửa Angstrom

Chiếc kính hiển vi điện tử đầu tiên có thể phân giải những chi tiết nhỏ cỡ một nửa angstrom (0,05 nm) vừa được phát triển ở Mĩ Được gọi là kính hiển vi điện tử truyền qua đã hiệu chỉnh quang sai, hay TEAM, thiết bị đó là kết quả của một sự hợp tác giữa công ti FEI của Mĩ, Hệ thống Quang điện tử hiệu chỉnh (CEOS) của Đức, và Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berbeley ở California TEAM, là kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và kính hiển vi điện tử truyền quét (STEM) hợp làm một, có thể cho phép các nhà khoa học thu được sự hiểu biết tốt hơn về cấu trúc và động lực học của vật chất ở mức độ nguyên tử

TEM hoạt động bằng cách hội tụ chùm electron qua một mẫu vật mỏng và ghi hình ảnh lên một máy dò ở mặt bên kia Những thiết bị như thế dùng quan sát những vật nhỏ xíu tốt hơn nhiều so với kính hiển vi quang học, vì bước sóng của electron ngắn hơn nhiều so với ánh sáng STEM tương tự như TEM, khác ở chỗ là nguồn electron có thể quét qua mẫu vật, cho phép ghi hình và nhận dạng các nguyên

một chất rắn Một rào cản đối với sự phân giải hạ angstrom là cầu sai, sự méo mó không thể tránh được của hình ảnh do sử dụng các thấu kính hình trụ làm hội tụ electron

Thiết bị TEAM xây dựng trên cơ sở kính hiển vi Titan 80-300 S/TEM của FEI, đã có bán trên thị trường từ năm 2005 TEAM đạt tới độ phân giải nửa angstrom bằng công nghệ hiệu chỉnh quang sai mới do CEOS thiết kế và chế tạo thành đầu khảo sát của kính hiển vi, bàn soi đặt vật và vùng nằm giữa mẫu vật và máy dò electron Những công nghệ này được tích hợp với một hệ hiệu chỉnh quang sai dùng trên thấu kính electron của kính hiển vi

Ảnh TEM chụp bằng TEAM của cấu trúc “hình quả tạ” của các cặp nguyên tử germanium cách nhau 0,14 nm Ảnh cho thấy những khoảng cách bên trong nguyên tử có thể đo được với độ chính xác cực kì cao Lát cắt cường độ dọc theo đường màu đỏ (góc phải dưới) cho thấy sự tương phản trong vùng giữa hai nguyên tử germanium trong một quả tạ so với mức cơ bản giữa các quả tạ

Titan là công nghệ tốt nhất trên thế giới đối với TEM, có khả năng nghiên cứu các vật với độ phân giải 0,7 angstrom Kỉ lục trước đây đối với STEM là 0,63 angstrom thiết lập bởi một chiếc kính hiển vi đối thủ khác Trong khi sự chuyển dịch đến giá trị nửa angstrom không có vẻ gì là một cải thiện đáng kể, thì các đối tác trong chương trình hợp tác đã tiêu tốn mất 3 năm để đạt tới đấy từ giá trị 0,7 anstrom

Theo Dominique Hubert, tổng điều hành chi nhánh NanoResearch của FEI, việc đạt tới 0,5 angstrom là một thách thức đặc biệt, vì người ta thu được nó trong một thiết bị có thể vừa làm TEM và làm STEM Theo Hubert, điều này yêu cầu các nhà nghiên cứu phải vượt qua được những thách thức lớn trong việc thiết kế một thiết bị được tối ưu hóa để đảm nhận chức năng của cả hai loại kính hiển vi

TEAM được phát triển trong phòng thí nghiệm nghiên cứu và phát triển của FEI ở Oregon và sẽ được thiết đặt vào cuối năm nay tại Trung tâm kính hiển vi điện

tử quốc gia Mĩ ở Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley Nó có thể được đưa vào sử dụng trong quý ba năm 2008 để nghiên cứu cách thức các nguyên tử kết hợp với nhau hình thành nên vật chất và mức độ tăng trưởng của tinh thể và các vật liệu khác bị ảnh hưởng như thế nào bởi các nhân tố bên ngoài Hubert trình bày với physicsworld.com rằng công nghệ phát triển cho TEAM cuối cùng sẽ được sử dụng trong những chiếc kính hiển vi Titan thương mại

Các nhà nghiên cứu phát triển TEAM hiện đang muốn hiệu chỉnh sắc sai, sự quang sai gây ra bởi các electron có năng lượng khác nhau được kính hiển vi hội tụ vào những điểm hơi cách nhau một chút

Hamish Johnston (physicsworld.com, 17/9/2007)

“Máy gia tốc” mây dông làm phát ra chùm tia gamma

Các nhà vật lí Nhật Bản khẳng định đã có được bằng chứng đầu tiên từ trước đến nay cho thấy các đám mây dông có thể hoạt động như máy gia tốc hạt năng lượng cao trong hàng giây hay thậm chí hàng phút liền Sử dụng một dãy máy

dò bức xạ lắp đặt tại một lò phản ứng hạt nhân, đội nghiên cứu đã ghi được một sự bùng phát bức xạ gamma 40 giây trong một cơn dông bão lớn Theo các nhà nghiên cứu, sự phân bố năng lượng của xung bức xạ đó cho thấy bức xạ được tạo ra bởi các electron đã được gia tốc bởi hiệu điện thế cao có mặt trong đám mây dông (arXiv:0708.2947)

Các nhà vật lí đã biết hơn một thập kỉ qua rằng các tia gamma 10 – 20 MeV được tạo ra trong những đợt bùng phát mili giây trong những cơn bão điện Người

ta tin rằng những đợt bùng phát này xảy ra khi điện thế cao trong một đám mây làm gia tốc các electron đến năng lượng tới 35 MeV Những electron này bị làm chậm lại do va chạm với các nguyên tử trong không khí, và kết quả là phóng thích năng lượng – tia gamma được tạo ra khi electron bị nguyên tử làm lệch khỏi hành trình của nó

Những đợt bùng phát lâu hơn nhiều, lên tới một vài phút, cũng đã được quan sát thấy, nhưng những sự kiện này hình như là hiếm xảy ra hơn so với những bạn đồng hành ngắn hơn của chúng Các nhà vật lí đã khảo sát nơi các xung dài đến trên bầu trời – nếu chúng thật sự đến từ trên trời Sự phân bố năng lượng của các xung

và các xung có chứa bất kì bức xạ nào khác, ví dụ như các hạt tích điện, hay không, cũng là điều không rõ ràng

Nay, Harafumi Tsuchiya, thuộc Phòng thí nghiệm tia vũ trụ của viện nghiên cứu RIKEN ở Nhật và các đồng sự sử dụng một dãy máy dò nhạy hướng mới mà họ lắp đặt tại một nhà máy điện hạt nhân phát hiện một đợt bùng nổ tia gamma 40 giây trong một cơn bão rất mạnh vào ngày 6/1/2007 Hệ thống của họ tại nhà máy điện hạt nhân Kashiwazaki-Kariwa trên bờ biển Nhật Bản được thiết kế để đo sự phân bố năng lượng, thành phần và nguồn gốc của các xung mây dông

Bằng cách phân tích sự phân bố năng lượng của xung đó, đội nghiên cứu có thể kết luận xung đó gồm các tia gamma Sự định hướng của các máy dò của họ cho phép đội nghiên cứu xác nhận xung đó đến từ cơn bão và vì những tia gamma như thế chỉ có thể truyền đi những khoảng cách ngắn trong bầu khí quyển, nên đội nghiên cứu cũng có thể kết luận rằng xung đó được tạo ra cách máy dò 1 km hoặc ngắn hơn

Vì tia gamma đến trước khoảng 1 phút trước khi tia sét đầu tiên đến, nên Tsuchiya tin rằng xung đó có khả năng được tạo ra trong khi năng lượng điện đang cấu thành nên đám mây dông, chứ không phải khi năng lượng được phóng thích dưới dạng tia chớp Ông nói thêm rằng quá trình đó có thể bắt đầu với một tia gamma đi qua đám mây và làm ion hóa không khí, tạo ra các electron, chúng được gia tốc về phía dưới của đám mây, là nơi có điện tích dương Những electron tiếp tục làm ion hóa các nguyên tử khác trên đường đi của chúng, tạo ra dòng electron năng lượng cao

Tsuchiya nói rằng sự bùng phát ở năng lượng MeV sẽ được tập trung thành một chùm chỉ có thể chiếu lên một diện tích nhỏ trên mặt đất, nên có thể giải thích tại sao có quá ít xung có thời gian tồn tại lâu được quan sát thấy Đội nghiên cứu có

kế hoạch xác nhận kết luận này bằng cách đặt nhiều máy dò bức xạ trên một diện tích rộng hơn

David Smith, một nhà vật lí tại trường đại học California ở Santa Clara và là một chuyên gia về các xung tia gamma khí quyển, đồng ý rằng xung đó được tạo ra trong một máy gia tốc mây dông “Phổ trông rất giống với sự bùng nổ”, ông nói Theo Smith, cần hàng triệu volt để tạo ra các electron MeV có thể duy trì liên tục trong đám mây hàng giây hay thậm chí hàng phút chừng nào mà dòng electron còn chưa trở nên quá mạnh để làm đánh thủng điện giống như thác dẫn đến tia chớp Smith hiện đang thiết kế một thí nghiệm chuyên chở bằng máy bay để kiểm tra xem lóe chớp có xảy ra trước xung tia gamma hay không

Hamish Johnston (physicsworld.com, 11/9/2007)

Thí nghiệm tìm thấy thành phần pi còn thiếu của graphene

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa khẳng định họ đã giải được “bí ẩn thành phần pi còn thiếu”, vấn đề đã làm nhiều nhà vật lí nghiên cứu graphene bối rối kể từ khi vật liệu này đựợc phát minh ra vào năm 2004 Pi trong nghi vấn liên quan đến sự không nhất quán giữa độ dẫn của graphene khi đo trong phòng thí nghiệm và giá trị do lí thuyết tiên đoán Đội nghiên cứu đã đo độ dẫn dọc theo những tấm graphene nhỏ xíu là hàm của cả điện thế đặt vào và tỉ số giữa chiều dài và chiều rộng của các tấm Kết quả cho thấy lí thuyết là chính xác – nhưng chỉ đúng với những tấm rất nhỏ có hình dạng nhất định (Science 317 1530)

Graphene là con cưng của các nhà công nghệ nano học, vì nó dai, dễ chế tạo

và là chất dẫn nhiệt và dẫn điện rất tốt Trong thực tế thì chiều dày chỉ một nguyên

tử khiến nó là một hệ lí tưởng dùng để khảo sát những tính chất kì lạ thường xuất hiện của các electron “hai chiều”

Có lẽ tính chất lạ lùng nhất của graphene là nó có vẻ xử sự vừa giống như kim loại vừa giống như chất bán dẫn Nếu đặt các điện cực ở hai đầu tấm graphene

và thiết đặt một điện thế cổng qua bề mặt, thì độ dẫn điện dọc theo tấm sẽ khác nhau đối với những giá trị khác nhau của điện thế cổng – giống hệt như một chất bán dẫn Nhưng không giống như chất bán dẫn, độ dẫn của graphene không tiến tới không khi điện thế cổng giảm xuống dưới một giá trị nhất định – tính chất này giống với kim loại Tuy nhiên, trước đây, khi các nhà vật lí cố đo độ dẫn cực tiểu này, họ tìm thấy nó có giá trị lớn hơn lí thuyết tiên đoán pi lần

Trong khi một số người lo lắng rằng lí thuyết có thể sai lầm, thì những người khác tự hỏi không biết giá trị cực tiểu đó có liên quan tới hình dạng và kích thước của tấm graphene hay không Nay Chun Ning Lau và các đồng sự ở trường đại học California, tại Riverside, chứng tỏ đấy chính là trường hợp cần giải quyết của vấn

đề

Đội nghiên cứu đã đo độ dẫn cực tiểu của 14 hình chữ nhật graphene khác nhau, với chiều rộng và chiều dài nằm trong khoảng từ 300 đến 8000 nm Đối với các mẫu có chiều dài nhỏ hơn 500 nm, đội nghiên cứu phát hiện thấy độ dẫn cực tiểu đạt tới giá trị lí thuyết khi chiều rộng của hình chữ nhật gấp hai lần chiều dài của nó Tuy nhiên, khi chiều rộng trở nên nhỏ hơn giá trị này, thì độ dẫn lại tăng quá giá trị lí thuyết Đội nghiên cứu cũng tìm thấy ở những tấm dài hơn 3000 nm,

độ dẫn luôn luôn lớn hơn giá trị lí thuyết, ngay cả khi chiều rộng gấp hai lần chiều dài

Lau nói với physicsworld.com rằng thí nghiệm đó cho thấy lí thuyết chỉ áp dụng được cho những tấm graphene rất nhỏ, và độ dẫn cực tiểu phụ thuộc vào hình dạng của tấm graphene

Theo Carlo Beenakker, một nhà vật lí lí thuyết ở trường đại học Leiden, Hà Lan, cũng đang nghiên cứu graphen, thì dữ liệu của Lau phù hợp với những tiên đoán lí thuyết trước đây về mối liên hệ giữa độ dẫn với chiều rộng và chiều dài của

tấm Ông nói với physicsworld.com rằng công trình của Lau đã “khép lại một chương về graphene”

Hamish Johnston (physicsworld.com, 14/9/2007)

“Tơ sợi” hình thành nên những ngôi sao đầu tiên

Cách thức những ngôi sao, thiên hà, và những cấu trúc vũ trụ khác hình thành buổi ban đầu phụ thuộc mạnh mẽ vào bản chất của vật chất tối, theo khẳng định của các nhà vật lí ở Anh và Bỉ Bằng cách mô phỏng những tác động ban đầu của vật chất tối “ấm áp” mà một số nhà vật lí xem là dạng phổ biến nhất của vật chất tối, các nhà nghiên cứu nhận thấy những ngôi sao đầu tiên ra đời trong đám

“tơ sợi” khí nặng dày đặc – như vậy là đi ngược lại quan điểm truyền thống của các nhà vật lí về sự hình thành sao (Science 317 1527)

Như từ trước đến nay vẫn chưa được khám phá ra, vật chất tối được cho là tồn tại vì các thiên hà hình như được giữ lại với nhau bằng sức hút hấp dẫn của khối lượng lớn hơn khối lượng chúng ta có thể thấy qua các kính thiên văn Các hạt vật chất tối có thể “nóng bỏng”, có nghĩa là chúng nhẹ và nhanh, mặc dù các mô phỏng cho thấy vật chất tối nóng sẽ không giải thích được cách thức các cấu trúc vũ trụ hình thành sau Big Bang Do đó, đa số các nhà vật lí nghĩ rằng các hạt lạnh hay chuyển động chậm hơn là có khả năng hơn, vì chúng có thể giải thích tốt hơn sự tiến hóa của vũ trụ Nhưng vật chất tối lạnh có vẻ lại không phù hợp với mật độ quan sát thấy của những cấu trúc dưới thiên hà nhất định

Theo Liang Gao và Tom Theuns, nếu vật chất tối thật sự “ấm áp”, thì những ngôi sao đầu tiên sẽ

hình thành từ những sợi tơ có kích thước một phần tư Dải Ngân hà

Tuy nhiên, trong vài năm qua, một số nhà nghiên cứu theo đuổi khả năng có thể của vật chất tối ấm, chúng sẽ vẫn mang lại sự tiến hóa quy mô lớn của vũ trụ nhưng phù hợp tốt hơn với những quan sát về những cấu trúc có quy mô nhỏ hơn Nay Liang Gao ở trường đại học Durham và Tom Theuns ở trường đại học Antwerp vừa thực hiện những mô phỏng bằng số về sự hình thành sao buổi sơ khai củng cố thêm lòng tin vào lí thuyết vật chất tối ấm

Theo lí thuyết vật chất tối lạnh, những ngôi sao đầu tiên hình thành từ những

“vầng hào quang nhỏ” nằm trong những đám mây khí và vật chất tối cô lập – không giống như những ngôi sao trong thời kì hiện nay của chúng ta, chúng hình thành trong những đám khí phân tử bên trong các thiên hà Theo mô phỏng của Gao và Theuns, một hạt vật chất tối loại ấm sẽ làm thay đổi bức tranh này sao cho các vầng hào quang nhỏ được thay thế bằng những “sợi tơ” khí tích góp kéo dài thành vệt Những sợi tơ này có khối lượng lớn – dài khoảng 9000 năm ánh sáng hay khoảng một phần tư kích thước thiên hà của chúng ta

Các nhà nghiên cứu nói những sợi to đó có thể tạo ra một số lượng lớn những ngôi sao có khối lượng nhỏ có thể tồn tại cho đến ngày hôm nay, và theo thời gian chúng có thể sẽ co lại hình thành nên những lỗ đen siêu trọng mà chúng ta đã phát hiện nằm ở tâm của những thiên hà lớn nhất

Jon Cartwright (physicsworld.com, 13/9/2007)

Phát hiện một lớp mới trong lớp bao của Trái Đất

Các nhà vật lí ở Mĩ và Pháp khẳng định đã có thể chỉ ra được có một lớp trước nay chưa được biết tới trong lớp bao tầng dưới của Trái Đất, trong đó trạng thái spin của các electron của sắt đảo nhanh, gây ra sự thay đổi mật độ của lớp bao Các nhà nghiên cứu phát hiện ra “vùng chuyển trạng thái spin” bằng cách đặt các mẫu vật phòng thí nghiệm của vật chất thuộc lớp bao tầng dưới trước áp suất

và nhiệt độ cao Kết quả của họ có thể ảnh hưởng tới kiến thức của chúng ta về cách thức sóng địa chấn truyền đi bên trong Trái Đất (Science 317 1740)

Nằm giữa 650 và 2800 km bên dưới bề mặt Trái Đất, lớp bao tầng dưới chiếm trên một nửa thể tích của Trái Đất, và chủ yếu cấu thành từ những hợp chất chứa các nguyên tố oxygen, magnesium và silicon Tuy nhiên, có gần 5% là sắt, chứa dưới dạng hợp chất ferropericlase (một loại sắt-magnesium oxide) và silicate perovskite (một loại sắt-magnesium silicate)

Các nhà khoa học biết rằng trạng thái spin của các electron của sắt giúp chi phối các tính chất vật lí của lớp bao, ví dụ như mật độ của nó và tốc độ âm thanh truyền qua nó Các nhà lí thuyết gần đây đã chỉ ra rằng các spin đó phải thay đổi dần dần từ trạng thái “cao” xuống “thấp” khi áp suất và nhiệt độ tăng theo chiều sâu lên tới 135 GPa và 4000 K ở đáy của lớp bao tầng dưới Nhưng nay Jung-Fu Lin ở

Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore và các đồng nghiệp đến từ những viện nghiên cứu khác của Mĩ và Tổ hợp bức xạ Synchrotron châu Âu ở Pháp vừa cho biết sự chuyển trạng thái đó hơi đột ngột hơn một chút

Hình cắt của Trái Đất cho thấy, khi áp suất và nhiệt độ tăng về phía lõi của Trái Đất,

spin của các electron của sắt chuyển trạng thái

Nhóm của Lin đặt ferropericlase trước áp suất biến thiên trong một cái đe kim cương nhỏ đồng thời làm nóng nó bằng laser, và lập biểu đồ trạng thái spin bằng phổ phát xạ tia X Họ tìm thấy có một vùng chuyển tiếp xác định trong đó các trạng thái spin trao đổi, nằm ở độ sâu giữa 1000 và 2200 km “Kết quả của chúng tôi cho thấy sự xuất hiện của một lớp mới bị giới hạn bởi sự chuyển trạng thái spin, gọi là vùng chuyển tiếp spin”, Lin nói Các nhà nghiên cứu cho rằng silicate perovskite – nguồn phổ biến hơn của sắt trong lớp bao tầng dưới – cũng phải biểu hiện vùng chuyển tiếp spin, mặc dù họ chưa kiểm tra được điều đó

Jon Cartwright (physicsworld.com, 20/9/2007)

Tiến bộ mới về việc bẫy nguyên tử

Các nhà vật lí ở Mĩ đã làm chủ được việc bẫy hai ion nguyên tử riêng lẻ cách nhau một mét Hệ của họ, hệ đầu tiên sử dụng photon làm bẫy từ xa một cặp ion nguyên tử, có thể đặt nền tảng cho việc chế tạo những mạng thông tin lượng tử thực tế (Nature 449 68)

Không giống như các bit thông tin cổ điển, chúng phải nhận giá trị hoặc 0 hoặc 1, các bit lượng tử, hay “qubit”, có thể ở trạng thái chồng chất của các giá trị 0

và 1 Hơn nữa, hai qubit còn có thể bị bẫy sao cho giá trị của một qubit được vạch

ra bằng cách đo giá trị của qubit kia Mặc dù những tính chất lạ lùng này đã làm nảy sinh một loạt ứng dụng, ví dụ như mã hóa lượng tử, những dụng cụ tương lai sẽ xoay quanh khả năng làm bẫy từ xa các qubit trong một mạng cách nhau những khoảng cách lớn

Các nguyên tử lí tưởng được sử dụng để lưu trữ các qubit vì chúng vẫn bền vững trước những khoảng thời gian lâu dài, trong khi các photon – có thể truyền không bị nhiễu đi những khoảng cách lớn – sẽ làm bẫy chúng Chris Monroe ở trường đại học Maryland và những người khác ở trường đại học Michigan đã chứng minh được rằng các photon phát ra về phía nhau từ các qubit nguyên tử riêng lẻ có thể - sau khi chúng gặp nhau ở giữa đường – làm bẫy các qubit từ xa

Trong thí nghiệm của họ, hai ion nguyên tử bị bẫy cách nhau một mét bằng điện trường được kích thích vào trạng thái năng lượng cao hơn bằng một xung ánh sáng laser Ngay tức thời sau đó, mỗi ion rơi trở lại một trong hai trạng thái năng lượng riêng biệt đồng thời phát ra một photon có tần số tương ứng có thể cho biết trạng thái mới đó là gì Cả hai photon này bị bắt bởi một thấu kính và được dẫn về phía nhau dọc theo một sợi quang

Tại hai đầu của sợi quang, các photon gặp một bộ tách chùm tia, và nếu chúng có cùng tần số, chúng sẽ giao thoa Monroe và các cộng sự sau đó có thể phát hiện các photon ở hai đầu ra của bộ tách chùm tia, từ đó họ suy ra được các trạng thái nguyên tử Tuy nhiên, vì họ không thể biết những trạng thái ion này phụ thuộc vào gì, nên các ion vẫn ở trạng thái chồng chất của hai xác suất – nói cách khác, chúng vẫn còn bị bẫy

Đội Michigan có thể chứng minh sự bẫy này tồn tại bằng cách sử dụng một laser khác khảo sát hai ion đó, chúng sẽ phát huỳnh quang khác nhau tùy thuộc vào trạng thái của chúng, tìm các dấu hiệu tương quan Tiến hành chạy nhiều thí nghiệm, họ nhận thấy các tương quan vẫn tồn tại, ngay cả khi các ion bị “quay” nhằm thỏa mãn mọi điều kiện thống kê “Sự bẫy có ích của những trạng thái như thế của vật chất trước đây chưa bao giờ được thiết lập đối với một khoảng cách như thế”, Monroe nói với physicswprld.com

Tuy nhiên, hệ đó có lẽ không có ngay những ứng dụng thực tế Sai sót ở thiết

bị dẫn đến xác suất bẫy vào khoảng 10-9, nghĩa là các nhà nghiên cứu chỉ thu được

sự bẫy thành công trong mỗi vài ba phút, mặc dù lặp lại quá trình đó hàng triệu lần mỗi giây Hơn nữa, các photon tử ngoại gần cần thiết lại bị thất thoát cao trong sợi quang, chúng làm hạn chế lợi thế khoảng cách lớn của hệ “Chúng tôi đang tìm những khả năng chuyển đổi có hiệu quả những photon này đến bước sóng thân thiện hơn – hay cả với bước sóng viễn thông, ở bước sóng đó chúng có thể an toàn truyền

đi nhiều km”, Monroe nói

Jon Cartwright (physicsworld.com, 6/9/2007)

Nguồn vi sóng đơn photon lắp vừa một con chip

Truyền thông lượng tử trên một con chip đã tiến thêm một bước nữa khi các nhà vật lí Mĩ vừa chế tạo được một nguồn đơn photon có thể sánh được với mạch tích hợp Nguồn phát đó, hoạt động trên cơ sở một tiếp giáp đường hầm siêu dẫn,

có thể dùng để phát ra các photon vi sóng mang thông tin lượng tử từ một phần của mạch tích hợp đến một phần khác (Nature 449 328)

Các hệ truyền thông vi sóng sử dụng cái gọi là mật mã lượng tử có thể một ngày nào đó thay thế cho các hệ truyền thông an toàn thông thường, nhưng không phải trước khi các nhà vật lí có được một phương tiện thực tế đưa được các bit lượng tử, hay qubit, lên một con chip tương tự như hệ thống có trong những chiếc máy tính ngày nay Photon là một sự lựa chọn tốt để mang các qubit, nhưng trừ khi chúng có thể được phát ra từng photon một và chắc chắn, vẫn có nguy cơ một ai đó chặn lại photon thừa để lén lút lấy cắp thông tin

Một phương pháp thu được một nguồn photon riêng lẻ từng hạt một là đặt một nguyên tử - qubit – bên trong một hộp nhỏ xíu và kích thích nó lên trạng thái năng lượng cao hơn sao cho nó phát ra một photon chứa trạng thái qubit đã được sắp xếp ra khỏi cửa hộp Nhưng các hộp thường là ba chiều, nên khiến chúng khó ghép đôi với các dây gần như hai chiều trong các mạch tích hợp Tuy nhiên, nay Robert Schoelkopf và các đồng sự ở trường đại học Yale đã giải quyết được vấn đề bằng cách tạo ra chính phần hộp như các dây hai chiều và đặt bên trong một tiếp giáp đường hầm siêu dẫn như qubit thay cho một nguyên tử

Tiếp giáp gồm có hai hạt nhôm cách nhau một hàng rào cách điện nhỏ Cơ học lượng tử cho phép các electron ghép đôi lên chui hầm qua rào chắn, có nghĩa là – giống như một nguyên tử thật sự - tiếp giáp có những mức năng lượng đơn giản, trong trường hợp này tương ứng với bao nhiêu cặp electron ở mỗi phía của rào chắn Bằng cách hấp thụ một photon vi sóng, một cặp electron bên này sẽ chui hầm sang phía bên kia, tương đương với một trạng thái kích thích của nguyên tử Tương

tự, cặp electron có thể chui hầm trở lại trạng thái không kích thích bằng cách phát ra một photon Điều này có nghĩa là sự tồn tại của một photon ở đầu dây bên kia sẽ cho biết trạng thái của qubit khi đó

Không giống như các bit thông tin cổ điển, chúng phải nhận giá trị hoặc 0 hoặc 1, các qubit có thể ở vào trạng thái “chồng chất” 0 và 1 đồng thời Để làm cho lớp tiếp giáp hoạt động như một qubit, Schelkopf và các đồng sự đã thiết đặt một từ trường đưa lớp tiếp giáp vào trạng thái kích thích, trạng thái không kích thích, hay

sự chồng chất của cả hai

Vi sóng thường được sử dụng trong truyền thông truyền thống, và nguồn phát đơn photon của Schoelkopf và các đồng sự là một bước tiến tới sử dụng vi sóng trong truyền thông lượng tử Hiện nay, họ có thể thu được hiệu suất 38% cho việc phát ra một photon thông qua một trạng thái kích thích và 12% cho trạng thái chồng chất, nhưng Schoelkopf nói với physicsworld.com rằng thách thức là ở chỗ chuyển tải thông tin từ photon đó trở lại qubit

Jon Cartwright (physicsworld.com, 20/9/2007)

Âm thanh làm điện trở giảm nhiều lần

Một sự bùng phát xung âm thanh thuần túy có thể làm cho điện trở của manganite giảm đi gần một trăm ngàn lần so với giá trị ban đầu của nó, đó là kết quả do một đội các nhà vật lí Anh, Mĩ, và Nhật Bản công bố Hiệu ứng này, được đặt tên là “âm trở lớn”, được cho là do sự tương tác giữa các electron và các dao động mạng lượng tử hóa gọi là phonon Các nhà nghiên cứu tin rằng hiệu ứng đó

có thể được sử dụng để chế tạo các máy dò bức xạ terahertz và rốt cuộc sẽ mang thêm ánh sáng mới cho sự siêu dẫn nhiệt độ cao (Nature 449 72)

Các nhà vật lí biết rằng điện trở của một manganese oxide nhất định gọi là manganite có thể giảm nhiều đến hàng chục bậc độ lớn khi chất đó đối mặt với từ trường Trong khi một lời giải thích đầy đủ tại sao từ trở lớn (CMR) này xảy ra còn lẩn tránh các nhà nghiên cứu, thì các nhà vật lí nghi ngờ rằng đôi khi nó có liên quan tới tương tác giữa electron và phonon

Nay, một đội nghiên cứu quốc tế đứng đầu là Andrea Cavalleri tại trường đại học Oxford đã tiến hành một thí nghiệm mang lại cái nhìn sâu sắc hơn về vai trò của phonon trong CMR Đội nghiên cứu đã bắn một xung laser terahertz (THz) ngắn lên một mẫu manganite đồng thời theo dõi điện trở của nó bằng cách đo dòng điện chạy qua nó Khi năng lượng của laser chuyển thành một tần số phonon nhất định, điện trở của vật giảm đột ngột trong khoảng 5 ns trước khi lấy lại giá trị ban đầu của nó

Theo Cavaller, xung laser đó – kéo dài khoảng 300 fs – là đủ lâu để tạo ra những phonon ở tần số nhất định (khoảng 17 THz) Tuy nhiên, nó cũng đủ ngắn để tránh kích thích các electron và phonon khác ở những tần số khác Điều này cho phép đội nghiên cứu kết luận rằng sự giảm điện trở là do tương tác giữa phonon 17 THz và các electron ở trạng thái cân bằng của chúng Xung đó cũng đủ ngắn để đảm bảo rằng các electron không bị nóng lên, nghĩa là CMR không nhất thiết yêu cầu các electron phải “nóng”

Bằng cách chỉ kích thích các phonon 17 THz và không làm nóng vật, đội nghiên cứu đã tránh được bài toán “con gà và quả trứng” thường làm người ta rất khó nghiên cứu các chất như manganite Trong những chất như thế, các electron tương tác lẫn nhau thông qua các phonon và nếu thí nghiệm kích thích cả các electron lẫn phonon, có khả năng nó sẽ không thể xác định được, chẳng hạn, đâu là nguyên nhân của CMR và đâu là ảnh hưởng của CMR

Bài toán “con gà và quả trứng” cũng ảnh hưởng tới những ai nghiên cứu các chất siêu dẫn nhiệt độ cao chứa đồng, và Cavalleri và các đồng sự hiện nay đã có kế hoạch sử dụng kĩ thuật đó nhằm thu được sự hiểu biết tốt hơn về vai trò của tương tác electron – phonon trong những chất này

Cavalleri nói với physicsworld.com rằng có thể có những ứng dụng thực tế cho âm trở lớn – nhất là vì nó hoạt động ở nhiệt độ phòng Chẳng hạn, người ta có thể dùng nó để chế tạo các máy dò bức xạ THz và những dụng cụ quang điện THz khác Ông cũng tin rằng kĩ thuật đó có thể dùng để thay đổi từ tính của những chất nhất định bằng một xung laser THz Hamish Johnston (physicsworld.com, 7/9/2007)