Phonon chui hầm qua chân không

Sơ đồ thể hiện một tích ảnh dao động nhiệt (ảo ảnh nhiệt), do điện trường của đầu nhọn STM gây ra trên bề mặt mẫu. (Ảnh: Igor Altfeder)

c Theo các nhà nghiên cứu tại Phòng nghiên cứu Không quân ở Ohio, Mĩ, thì nhiệt được truyền qua một hiệu ứng gọi là “sự chui hầm phonon”, trong đó các dao động phân tử lượng tử hóa, gọi là các phonon, dường như đi xuyên qua vùng cấm. Kết quả trên có thể quan trọng cho việc cải tiến các dụng cụ nhiệt điện và cho các mạch điện tử cấp độ nano trong tương lai.

Nhiệt trao đổi giữa hai vật thông qua sự dẫn thường chỉ có thể xảy ra khi các vật tiếp xúc với nhau. Quá trình này xảy ra khi các phonon – các lượng năng lượng dao động – được truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn. Cho đến nay, sự truyền nhiệt như thế được cho là không thể xảy ra giữa những vật không tiếp xúc đặt trong chân không, vì chân không là vùng cấm đối với các phonon, theo như lời giải thích của Igor Altfeder, một thành viên đội nghiên cứu.

Đội nghiên cứu người Mĩ nay đã làm người ta thay đổi nhận thức này bởi việc thật sự đo được dòng nhiệt giữa đầu nhọn platinum-iridium cỡ nano của một kính hiển vi quét chui hầm (STM) giữ ở nhiệt độ phòng và một bề mặt lạnh bằng vàng. Hai vật cách nhau bởi một khe mỏng 0,3 nm trong chân không. Đầu nhọn được giữ ở nhiệt độ phòng, còn bề mặt vàng được làm lạnh xuống 90, 150 hoặc 210 K.

Chui hầm, chứ không bức xạ

Các nhà nghiên cứu nhận thấy năng lượng nhiệt truyền que khe trống nhỏ xíu đó vượt quá bức xạ Planck một lượng c²/v² = 10¹⁰ (trong đó c là tốc độ ánh sáng, và v là tốc độ âm thanh). Theo các phép đo của họ, điều này có nghĩa là nguyên tử cuối cùng tại chóp nhọn nano tiêu tán nhiệt nhanh hơn 10¹⁰lần lúc bình thường bằng cách tạo ra các phonon bên trong vàng. Và, trái với các giả thuyết trước đây, sự truyền nhiệt không phải do đầu nhọn phát bức xạ vào chân không.

Altfeder cùng các đồng nghiệp thu được kết quả của họ bằng cách thiết lập một ngưỡng điện áp giữa đầu nhọn hiển vi “nóng” và bề mặt lạnh. Sau đó, các nhà nghiên cứu ghi lại dòng điện tạo ra bởi các electron truyền qua khe trống. Vì các electron này bị ảnh hưởng trực tiếp bởi các dao động nhiệt trong cả hai chất liệu, nên một số đo của dòng điện này có thể dùng để tính ra nhiệt độ của điểm đỉnh của đầu nhọn. “Thựt tế nhiệt độ này gần như khớp với nhiệt độ của mẫu cho chúng tôi biết rằng năng lượng thoát ra từ điểm đỉnh của đầu nhọn ở một tốc độ hết sức nhanh”, Altfeder nói.

Theo đội nghiên cứu, sự chui hầm phonon bị chi phối bởi điện trường nằm giữa hai vật. Những điện trường này làm cho đầu nhọn hiển vi và “tích ảnh” của nó bên trong một mẫu dao động đồng bộ với nhau. Nói cách khác, điện trường tại điểm đỉnh đầu nhọn làm cho các electron trong lớp trên cùng của bề mặt vàng dao động ở cùng tốc độ đó.

Công trình này, đăng tải trên tạp chí Physical Review Letters, làm củng cố cho các nghiên cứu lí thuyết gần đây của Mika Prunnila và Johanna Meltaus thuộc Trung tâm Nghiên cứu Kĩ thuật VTT của Phần Lan dự đoán sự chui hầm phonon giữa các chất liệu áp điện. Trong một thông cáo báo chí của Hội Vật lí Hoa Kì có trích dẫn lời của Prunnila nói rằng nghiên cứu mới trên có thể có các ứng dụng trong ngành điện tử học nano, và trong các dụng cụ khai thác năng lượng từ các gradient nhiệt độ.

Nguồn: physicsworld.com