Các nhà vật lí ở Mĩ có lẽ vừa kết thúc một cuộc tranh luận kéo dài cả thập kỉ về cách tính lực Casimir – lực ảnh hưởng đến những vật cách nhau những khoảng nhỏ xíu – cho hai vật kim loại. Họ cho biết cái gọi là mô hình Drude, mô hình xem kim loại là một tập hợp những ion dương và electron giống như những quả billiard, thắng vượt trội so với “mô hình plasma”, mô hình giả sử các electron chuyển động trong một mạng lưới cố định gồm những ion dương. Hiểu rõ cách tính lực Casimir có thể giữ vai trò quan trọng trong việc thiết kế các máy móc cỡ micromet và nanomet.
Lực Casimir lần đầu tiên được tiên đoán vào năm 1948 bởi nhà vật lí người Hà Lan Hendrik Casimir. Ông xét cái xảy ra khi hai tấm kim loại dẫn điện hoàn hảo, chưa tích điện đặt đối diện nhau trong chân không. Theo cơ học lượng tử, năng lượng của một trường điện từ trong một chân không không phải bằng zero mà liên tục thăng giáng quanh một giá trị trung bình nhất định. Tuy nhiên, sự cộng hưởng có nghĩa là chỉ những bước sóng nhất định mới tồn tại giữa hai bản kim loại cách nhau một khoảng nhất định.
Cái Casimir nêu rõ là áp suất bức xạ của trường bên ngoài hai tấm kim loại sẽ có xu hướng hơi lớn hơn áp suất bức xạ ở giữa hai tấm, do đó sẽ làm chúng bị hút về phía nhau. Lực hút đó rất nhỏ, nên lực Casimir tỏ ra cực kì khó đo và cho đến năm 1997 thì Steve Lamoreaux, khi ấy tại trường đại học Washington ở Mĩ, mới lần đầu tiên cung cấp bằng chứng thực nghiệm xác thực của lí thuyết Casimir. Mặc dù Lamoreaux và các nhà khoa học khác đã có những phép đo tốt hơn kể từ đó, nhưng vẫn còn đó một bí ẩn là lực Casimir nên được tính như thế nào cho những vật thực tế.
Sơ đồ thể hiện dụng cụ dùng để đo lực Casimir. Màng nano silicon nitride (SiN) được tô màu xám, còn các bề mặt bằng vàng được tô màu vàng. (Ảnh: American Physical Society)
Khe hở càng lớn, lực càng yếu
Mặc dù đã có những phép đo lực Casimir thành công giữa hai bề mặt bằng vàng, nhưng vấn đề là vàng không phải là một chất dẫn hoàn hảo – nghĩa là bức xạ điện từ có thể xâm nhập một quãng nhất định vào kim loại đó. Khoảng trống giữa hai bề mặt thực sự lớn hơn và lực yếu hơn nếu kim loại sử dụng không phải là vật dẫn hoàn hảo, theo giải thích của Thorsten Emig thuộc trường đại học Paris Sud, một chuyên gia về lực Casimir không có liên quan gì trong nghiên cứu trên.
Cả hai mô hình plasma và Drude đều mô tả tốt cách ánh sáng bước sóng ngắn tương tác với các bề mặt kim loại – và do đó có thể dùng để tính ra lực Casimir ở những khoảng cách tương đối ngắn chưa tới khoảng 1 µm. Tuy nhiên, ở những khoảng cách lớn hơn, hai mô hình trở nên khác biệt nhau. Mô hình plasma dự đoán rằng mode điện “tĩnh ngang” của trường điện từ bên trong khe hở góp phần vào lực Casimir, còn mô hình Drude cho biết nó không có đóng góp gì. Thật không may, các nhà vật lí chưa có thể sử dụng một thiết bị để đo lực Casimir trên một ngưỡng khoảng cách đủ lớn để xác định mô hình nào hoạt động tốt nhất ở mọi khoảng cách.
Drude hoạt động tốt nhất
Lamoreaux, hiện đang làm việc tại trường đại học Yale, đã gia nhập lực lượng với Hong Tang và các đồng sự để đo lực Casimir trên ngưỡng khoảng cách rộng nhất từ trước đến nay – từ 100 nm đến 2 µm. Khi thực hiện những phép đo này, đội khoa học là nhóm đầu tiên chứng minh rằng mô hình Drude hoạt động tốt nhất ở cả khoảng cách lớn và khoảng cách nhỏ.
Trong khi Casimir ban đầu thiết lập lí thuyết của ông cho các tấm kim loại song song nhau, nhưng thật ra việc đo lực theo kiểu này là không đơn giản vì rất khó canh thẳng hai tấm kim loại đủ tốt để tiến hành thí nghiệm. Đột phá của Lamoreaux hồi năm 1997 là đo lực giữa một tấm kim loại và một quả cầu kim loại – một sắp xếp không đòi hỏi sự canh thẳng hàng chính xác. Thí nghiệm mới nhất của ông là đo lực giữa một quả cầu mạ vàng bán kính 4 mm và một màng cực mỏng silicon nitrate cũng được mạ vàng. Màng mỏng đó chỉ dày vài trăm nanomet và lớp mạ vàng dày 200 nm. Một đặc điểm quan trọng của bề mặt vàng thu được là nó phẳng trong cự li 3 nm trên toàn bộ màng là một hình vuông với mỗi cạnh 1 mm.
Màng dao động
Cái màng được căng ra giống như màng trống trên một cái khung silicon, khung này được làm cho dao động bằng cách sử dụng một bộ kích áp điện. Các nhà khoa học thực hiện phép đo bằng cách đưa quả cầu đến cách bề mặt vàng khoảng chừng 1 µm đồng thời ghi lại dao động của màng bằng một giao thoa kế sợi. Sự có mặt của lực Casimir có thể được phát hiện bởi tác dụng của nó lên cách dao động của cái màng, với lực được đo bằng cách cho biến thiên khoảng cách trong khoảng từ 100 nm đến 2 µm.
Trên lí thuyết, mọi điểm trên một bề mặt kim loại sẽ có điện thế bằng nhau, nhưng trên thực tế các phân tử bị hấp thụ trên bề mặt làm cho điện thế biến thiên nên nó có thể ảnh hưởng đến các phép đo lực – nhất là ở những khoảng cách tương đối lớn. Để cho phép hiệu ứng này, đội nghiên cứu cho quét quả cầu trên vài cái màng để đo thế năng mặt là một hàm của vị trí. Cách này cho phép các nhà nghiên cứu chọn ra cái màng có sự biến thiên nhỏ nhất với các phép đo Casimir của họ. Thông tin từ sự quét mặt đó cũng được dùng để hiệu chỉnh sự biến thiên không gian trong phép đo.
Vừa chứng tỏ rằng mô hình Drude mô tả lực Casimir tốt nhất, nghiên cứu trên còn làm sáng tỏ vai trò quan trọng của các biến thiên thế trên bề mặt đối với các phép đo lực Casimir. Thật vậy, đội khoa học đề xuất rằng một bước quan trọng tiếp theo trong các phép đo lực Casimir sẽ là lập bản đồ biến thiên thế trên bề mặt của quả cầu. Nếu như thành công, bản đồ này có thể cho phép các phép đo được thực hiện ở những khoảng cách lớn hơn nữa, đó là cái Lamoreaux xem là một bước kế tiếp quan trọng trong việc tìm hiểu lực Casimir.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Physical Review Letters.
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
