Hằng số cấu trúc tinh tế có thể xác định bằng cách đo góc quay Kerr (ΘK) và góc quay Faraday (ΘF) trong một chất cách điện tô pô (lớp màu xanh lá cây). (Ảnh: Hội Vật lí Hoa Kì)
Một họ vật liệu mới khám phá ra gọi là “chất cách điện tô pô” có thể giúp các nhà vật lí thu được những phương pháp mới để xác định ba hằng số vật lí cơ bản – tốc độ ánh sáng (c); điện tích của proton (e); và hằng số Planck (h). Đó là khẳng định của một đội gồm các nhà vật lí ở Mĩ, họ vừa đề xuất một thí nghiệm mới để đi hằng số cấu trúc tinh tế (α), đó là một hàm của h, c và e, bằng cách cho ánh sáng tán xạ từ một chất liệu như thế. Các chất cách điện tô pô khác thường ở chỗ dòng điện chảy tốt trên bề mặt của chúng, nhưng không chảy qua lòng khối chất của chúng.
Phép đo mới do Shou-Cheng Zhang cùng các đồng nghiệp tại trường đại học Stanford và các nhà nghiên cứu tại trường đại học California ở Santa Barbara và đại học Maryland đề xuất. Mặc dù có nhiều phương pháp khác xác định α, nhưng kĩ thuật của họ là phương pháp duy nhất liên quan đến việc đo lường một hiện tượng được lượng tử hóa theo đơn vị của α. Trên nguyên tắc, điều này có nghĩa là nó có thể mang lại một định nghĩa đo lường rất chính xác của α.
Một phương pháp mới xác định h, c và e khi đó có thể thu được bằng cách kết hợp giá trị của α với số đo lượng tử từ thông và lượng tử độ dẫn điện trong các chất, cả hai đều phụ thuộc vào h và e.
Chất cách điện dẫn điện
Các tính chất kì lạ của chất cách điện tô pô phát sinh từ thực tế là hình dạng – hay dạng tô pô học – của các dải năng lượng electron khiến cho các electron mặt không thể bị tán xạ ngược. Zhang tin rằng, dưới những điều kiện nhất định, hình dạng tô pô này đưa đến một sự “lượng tử hóa chính xác” xem một chất liệu phản ứng như thế nào với một trường ngoài. Các nhà vật lí đã quen thuộc với các phản ứng tô pô học tương tự, chúng xảy ra khi một chất siêu dẫn đặt trong từ trường – mang lại sự lượng tử hóa từ thông. Nó còn xuất hiện trong hiệu ứng Hall lượng tử, khi một chất dẫn điện 2D nằm trong một từ trường mang lại các lượng tử của độ dẫn điện.
Các nhà vật lí cho rằng “hiệu ứng điện-từ tô pô” – nhờ đó một điện trường có thể cảm ứng một sự phân cực từ và một từ trường có thể cảm ứng một sự phân cực điện – có thể xảy ra trong một số chất liệu tô pô học. Ngoài ra, cơ sở tô pô học của hiệu ứng cũng đồng nghĩa là phản ứng của chất liệu trước các trường điện từ đặt vào bị lượng tử hóa theo đơn vị của α.
Làm quay ánh sáng tới
Để đo hiệu ứng trên, Zhang và các đồng nghiệp đề xuất một thí nghiệm, theo đó ánh sáng được chiếu lên một màng mỏng chất cách điện tô pô và đo lấy các góc quay Kerr và Faraday. Góc quay Kerr là sự dịch chuyển hướng phân cực của ánh sáng phản xạ so với sự phân cực của ánh sáng tới. Góc quay Faraday là sự dịch chuyển hướng phân cực của ánh sáng truyền qua.
Cả hai hiệu ứng đều liên quan đến sự tương tác giữa ánh sáng và vật chất trong sự có mặt của từ trường. Các nhà vật lí đã suy luận ra một công thức đề xuất rằng trong một chất cách điện tô pô, một kết hợp nhất định của các góc quay Kerr và góc quay Faraday bị lượng tử hóa theo những bội số nguyên của hằng số cấu trúc tinh tế.
Bước tiếp theo là thử đi đo hiệu ứng này – và Zhang cho biết ba phòng thí nghiệm độc lập hiện đang thử đo hiệu ứng trong các chất liệu thực tế.
Công trình công bố trên tạp chí Phys. Rev. Lett. 105 166803.
Nguồn: physicsworld.com
