Kilogram hiện nay được định nghĩ bằng một cục kim loại ở Paris – nhưng nay các nhà nghiên cứu ở Anh, Pháp và Thụy Điển vừa xác nhận một giả định thiết yếu của một phương pháp mới định nghĩa chuẩn khối lượng trên dựa theo các hằng số cơ bản. Đặc biệt, họ vừa chứng tỏ rằng điện trở Hall lượng tử đo trong một chất bán dẫn và trong graphene là giống nhau với sai số tương đối 8,6 × 10-11. Điện trở này được cho bởi tỉ số của hằng số Planck (h) và bình phương điện tích electron (e) và có thể dùng để định nghĩa kilogram.
>> Kilogram được định nghĩa lại như thế nào?
Chuẩn kilogram chế tạo từ platinum và iridium, và đặt tại Cục Cân nặng và Đo lường Quốc tế (BIPM) ở Paris. Trong 60 năm qua, một số so sánh của chuẩn kilogram này với những bản sao giống hệt cho thấy khối lượng của nó đang thay đổi. Hệ quả là các nhà khoa học đã và đang đi tìm một phương pháp mới định nghĩa kilogram chỉ sử dụng những hằng số cơ bản.
Cách làm phổ biến nhất là thực hiện “cân watt”, so sánh trọng lượng của một vật với một lực điện từ. Một cái cân như vậy hoạt động trên giả thiết rằng tỉ số h/e2 là độc lập với chất liệu dùng để đo nó. Một cái cân watt sử dụng tỉ số này cùng với một phép đo điện trở Hall lượng tử để định nghĩa kilogram theo h.
Các electron trôi giạt
Hiệu ứng Hall là sự xuất hiện của một điện áp giữa hai mặt đối diện của một tấm kim loại khi một dòng điện đi qua theo chiều dài của nó. Hiệu ứng Hall đòi hỏi sự có mặt của một từ trường vuông góc với tấm kim loại. Từ trường làm cho các electron đang chuyển động trôi giạt về phía một mặt khi chúng đi qua tấm kim loại. Thông thường, xu hướng trôi giạt của các electron phụ thuộc vào các yếu tố như mật độ electron trong chất liệu và bề dày của tấm kim loại.
Hiệu ứng Hall lượng tử xảy ra trong các tấm mỏng đến mức chúng là hai chiều đối với các electron. Nếu một tấm kim loại như vậy chịu nhiệt độ rất thấp và từ trường cao, thì điện áp Hall bị lượng tử hóa ở những giá trị rời rạc có vẻ độc lập với chất liệu đang sử dụng. Khi so sánh điện áp Hall với cường độ dòng điện chạy qua chất dẫn, thì điện trở Hall thu được là h/Ne2, với N là một số nguyên.
Theo J T Janssen thuộc Phòng thí nghiệm vật lí quốc gia (NPL) ở Teddington, Anh quốc, không có một lí thuyết giải thích tại sao xảy ra như vậy; tuy nhiên, tất cả các thí nghiệm cho đến nay đều khớp với giá trị chung này cho điện trở Hall lượng tử. Nếu dịnh nghĩa lại của kilogram xây dựng trên hiệu ứng Hall lượng tử, thì sai số trong những thí nghiệm này thật sự phải rất chặt chẽ.
Định nghĩa hiện nay của kilogram (Ảnh: BIPM)
So sánh trực tiếp
Nay Janssen cùng các đồng nghiệp tại NPL, Đại học Chalmers và Đại học Linköping ở Thụy Điển, Đại học Lancaster ở Anh và BIPM vừa thực hiện một so sánh trực tiếp của hiệu ứng Hall lượng tử thuộc hai chất liệu rất khác nhau. Hai chất này là chất bán dẫn gallium–arsenide pha tạp chất để tạo ra một tấm hai chiều gồm các electron, và graphene – một lớp carbon chỉ dày một nguyên tử. Những thí nghiệm trước đây đã xác nhận rằng hai chất bán dẫn đó biểu hiện hiệu ứng Hall lượng tử giống nhau, nhưng nghiên cứu mới này là nghiên cứu đầu tiên so sánh trực tiếp hai chất liệu với những tính chất điện tử rất khác nhau đó. Trong khi các electron dẫn ở gallium arsenide hành xử giống như các hạt có khối lượng, thì các electron ở graphene hành xử giống như những photon không khối lượng.
Các nhà nghiên cứu sử dụng một bố trí chuẩn so sánh điện trở Hall của hai mẩu chất giữ ở nhiệt độ rất gần không độ tuyệt đối. Những dòng điện giống hệt nhau được gởi qua hai mẩu chất để tạo điện áp Hall. Để thấy điện áp này có khác nhau hay không, một mạch điện khác nối hai bên của hai mẩu chất với một máy dò dòng điện cực kì nhạy. Các nhà nghiên cứu không đo thấy dòng điện nào, nghĩa là điện áp giữa hai hai mẩu chất là giống nhau.
Thách thức vẫn còn đó
“Đây là phép đo chính xác nhất của sự độc lập với chất liệu của hiệu ứng Hall lượng tử”, Janssen nói. Tuy nhiên, vẫn có những thách thức quan trọng cần vượt qua trong việc thiết kế và điều khiển sự hoạt động của cân watt như thế. Điều quan trọng nhất, theo Janssen, là trở ngại cơ học của việc điều khiển cái cân. Ví dụ, lực tạo ra bởi cuộn dây từ tính và vận tốc của nó phải canh chỉnh thật thẳng với trọng lực. Và khi sai số toàn phần giảm đi, thì càng khó tạo ra sự canh chỉnh này.
“Việc định nghĩa lại chuẩn kilogram hiện nay là một trong những đề tài chính trong đo lường học”, phát biểu của Alexander Penin thuộc trường Đại học Alberta ở Edmonton, Canada. Thật vậy, trong tuần tới, các nhà đo lường học sẽ gặp nhau ở Paris trong Hội nghị toàn thể lần thứ 24 về Cân nặng và Đo lường để thảo luận giá trị của cân watt và những đề xuất khác nhằm định nghĩa lại kilogram.
Nguồn: physicsworld.com
