Ở những nhiệt độ rất thấp, khi không có mặt ánh sáng, một bộ nhân quang sẽ tự động phát ra các electron độc thân. Hiện tượng này, được gọi là “sự phát xạ electron lạnh”, lần đầu tiên được quan sát thấy cách nay gần 50 năm trước. Mặc dù các nhà khoa học đã biết một vài nguyên nhân gây ra sự phát xạ electron khi không có ánh sáng (còn gọi là tốc độ tối) – bao gồm nhiệt, điện trường, và bức xạ ion hóa – nhưng không có nguyên do nào trong số này có thể giải thích cho sự phát xạ lạnh. Thường thì các nhà vật lí xem những sự kiện electron tối này là phiền toái, vì mục đích của một bộ nhân quang là phát hiện ra các photon bằng cách tạo ra các electron tương ứng là hệ quả hiệu ứng quang điện.
Trong sự phát xạ electron lạnh, ban đầu khi nhiệt độ giảm, tốc độ tối giảm theo. Nhưng ở khoảng 220 K, tốc độ tối là là không giảm nữa, và khi nhiệt độ tiếp tục giảm thì nó bắt đầu tăng trở lại. Ảnh: Meyer.
Trong một nghiên cứu gần đây, Hans-Otto Meyer, một giáo sư vật lí tại trường đại học Indiana, đã tiếp tục nghiên cứu sự phát xạ electron bằng cách thực hiện các thí nghiệm cho thấy các dòng electron phát ra được phân bố như thế nào theo thời gian. Kết quả của ông cho biết các electron được phát ra theo đợt xảy ra một cách ngẫu nhiên, mặc dù trong một đợt các electron được phát ra theo một kiểu kì cục, có tương quan với nhau. Ông đề xuất rằng các tương quan đó xác nhận một số loại cơ chế bắt giữ, nhưng hành trạng bất thường đó không phù hợp với bất kì quá trình phát xạ tự phát nào đã biết hiện nay. Chí ít là ở thời điểm hiện tại, dường như chẳng có lời giải thích vật lí nào cho những quan sát đó.
“Sự phát xạ lạnh là một hiện tượng vật lí bất chấp sự giải thích”, Meyer phát biểu với PhysOrg.com. “Cơ sở vật lí giải thích cho nó có thể hoặc không thể là cơ bản, chỉ tương lai mới biết được. Các bộ nhân quang tình cờ mang lại môi trường trong đó hiện tượng này có thể được quan sát thấy, nhưng tôi ngờ rằng công trình nghiên cứu của mình sẽ có tầm quan trọng to lớn đối với những người sử dụng các bộ nhân quang”.
Trong những thí nghiệm của ông, Meyer đặt một ống nhân quang bên trong một bính chứa rỗng, sau đó ông dìm chúng trong hydrogen hoặc helium lỏng. Sử dụng bức xạ làm lạnh, ông làm lạnh bộ nhân quang xuống đến nhiệt độ 80 K (-193° C) sau khoảng chừng một ngày, và xuông 4 K (-269° C) trong một ngày khác. Với cách bố trí như thế này, ông có thể phát hiện ra những sự kiện tối lạnh lẽo, chúng tỏ ra là bị gây ra bởi các electron độc thân phát ra từ ca tốt của ống nhân quang.
Như nghiên cứu trước đây cho thấy, bắt đầu từ nhiệt độ phòng, tốc độ tối giảm khi nhiệt độ giảm, nhưng chỉ giảm tới một điểm nào đó. Dưới khoảng 220 K (-53° C), tốc độ tối là là không giảm nữa. Nếu tiếp tục làm lạnh, thì nó bắt đầu tăng, và tiếp tục tăng ít nhất là xuống tới 4 K (-269° C), nhiệt độ thấp nhất mà Meyer có được dữ liệu. Đa số thí nghiệm của Meyer được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 80 K (-193° C).
Trong các thí nghiệm của ông, Meyer nhận thấy các electron được phát ra thành “đợt” – vô số electron vọt ra xuất hiện gần nhau theo thời gian. Mặc dù những đợt này xảy ra ngẫu nhiên, nhưng chúng tồn tại trong những khoảng thời gian khác nhau, với sự phân bố thời gian kéo dài của chúng tuân theo một định luật hàm mũ. Ngoài ra, Meyer nhận thấy từng sự kiện phát electron riêng lẻ trong một đợt có tương quan cao với nhau. Đặc biệt, trong một đợt, các sự kiện lúc đầu xảy ra nhanh chóng, sau đó càng lúc càng kém thường xuyên hơn khi đợt phát “tàn lụi đi”.
Các electron phát ra thành từng đợt kéo dài trong những khoảng thời gian khác nhau, với sự phân bố thời gian tồn tại của chúng tuân theo một định luật hàm mũ. Ảnh: Meyer.
Có lẽ quan sát sau cùng này về những khoảng thời gian từ từ lâu hơn giữa các sự kiện phát electron trong một đợt là có sức hấp dẫn nhất. Meyer đề xuất rằng sự phân bố kì lạ này của các sự kiện có thể là kết quả của một cơ chế bắt giữ. Nếu bị bắt lại trong một cái bẫy, một electron có thể hoặc thoát ra khỏi bẫy (để quan sát thấy là một sự kiện tối) hoặc nó có thể tái kết hợp với một lỗ trống. Khi một cái bẫy electron trống dần đi, thì tốc độ phát xạ sẽ tỉ lệ với số lượng electron còn lại bên trong bẫy. Kịch bản này có thể giải thích sự xuất hiện ban đầu của các sự kiện trong một đợt, sau đó là một vài electron còn lại tiếp tục nhỏ giọt ra.
Phù hợp với những quan sát trước đây về các tương quan giữa nhiệt độ và tốc độ tối, tốc độ phát xạ electron trong các thí nghiệm của Meyer còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ. Khi nhiệt độ giảm, cả tốc độ các đợt phát và số lượng sự kiện trên mỗi đợt tăng lên. Việc quan sát thấy tốc độ phát xạ tăng khi nhiệt độ giảm như thế này phù hợp tốt giả thuyết bắt giữ, trong đó nó sẽ là hệ của sự tái kết hợp trở nên kém quan trọng hơn, mang lại nhiều electron hơn thoát ra khỏi bẫy.
Như Meyer lưu ý, một quá trình trở nên có khả năng xảy ra hơn khi nhiệt độ giảm, như sự phát xạ electron lạnh, là rất bất thường trong vật lí học. Trong số những quan sát thú vị của ông là tốc độ phát xạ lạnh không phụ thuộc vào việc dụng cụ đang lạnh đi hay đang ấm lên, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ tức thời. Nói chung, các tính chất của sự phát xạ electron lạnh không phù hợp với bất kì quá trình phát xạ tự phát nào khác đã biết, bao gồm sự phát xạ nhiệt, phát xạ trường, sự phóng xạ, hay các bức xạ đâm xuyên như tia vũ trụ. Thí dụ, không giống như các quá trình phát xạ nhiệt và phát xạ trường đã biết rõ, sự phát xạ lạnh không phụ thuộc vào điện trường tại bề mặt phát ra. Ít nhất là cho tới nay, hiện tượng phát xạ electron lạnh vẫn còn là một bí ẩn.
“Tự nhiên ở những nhiệt độ rất thấp có rất nhiều bất ngờ”, Meyer nói. “Tôi không muốn biện hộ xem lời giải thích của sự phát xạ lạnh sẽ là cái gì, nhưng tôi sẽ không ngạc nheien nếu cấu trúc dải của các chất bán dẫn giữ một vai trò quan trọng nào đó”.
Ông nói thêm rằng bước tiếp theo của ông sẽ là nghiên cứu xem hiệu ứng này phổ biến như thế nào.
“Liệu có sự phát xạ lạnh từ các bề mặt khác ngoài ca tốt của một bộ nhân quang hay không? Đây là câu hỏi tiếp theo cần được trả lời bằng một thí nghiệm. Hi vọng sẽ sớm có những mô hình lí thuyết dẫn tới những dự đoán có thể kiểm tra được trong những thí nghiệm tương lai”, Meyer nói.
Tham khảo: H. O. Meyer. “Spontaneous electron emission from a cold surface.” Europhysics Letters, 89 (2010) 58001.
Theo PhysOrg.com.
