Các nhà vật lí ở Thụy Sĩ là những người đầu tiên sử dụng các nguyên tử cực lạnh để mô phỏng một trong những tính chất quan trọng nhất về mặt công nghệ của chất rắn: sự dẫn điện. Thí nghiệm quan sát các nguyên tử lithium khi chúng đi qua một kênh nhỏ xíu tạo ra bởi ánh sáng laser. Đội nghiên cứu đã chứng minh rằng các nguyên tử đi thẳng qua một kênh dẫn không chịu bất kì sự mất trật tự nào biểu hiện sự dẫn điện theo định luật Ohm, giống hệt như các nguyên tử tung hoành qua một kênh dẫn không trật tự.
Tập hợp gồm những nguyên tử cực lạnh đã được sử dụng để mô phỏng nhiều hệ vật lí vật chất ngưng tụ đa dạng, kể cả các phương diện của từ học và sự siêu dẫn. Các nguyên tử chất khí có thể cung cấp kiến thức quan trọng về bản chất lượng tử của vật chất bởi vì, không giống như các electron trong chất rắn, sự tương tác giữa các nguyên tử cực lạnh có thể được điều khiển vật chất bằng ánh sáng laser và từ trường.
Trên nguyên tắc, sự dẫn điện có thể được mô phỏng bằng cách cho các nguyên tử cực lạnh chuyển động qua một kênh hẹp từ bể chứa này sang bể chứa kia. Bằng cách đo sự biến thiên mật độ chất khí khi nó đi qua vùng dẫn, các nhà vật lí có thể nghiên cứu quá trình dẫn theo những kiểu không thể nào thực hiện với những chất dẫn thực tế. Điều này sẽ đặc biệt hấp dẫn với những ai đang thiết kế những mạch điện tử cực kì nhỏ nơi các hiệu ứng lượng tử có thể giữ vai trò quan trọng trong sự dẫn điện.
Sơ đồ thể hiện sự dẫn điện có thể được mô phỏng và quan sát như thế nào, sử dụng các nguyên tử cực lạnh. Sự mất trật tự có thể đưa vào kênh dẫn bằng cách sử dụng một đốm laser. (Ảnh: T Esslinger)
Quan sát kênh dẫn
Ngoài việc tạo ra một hệ như thế, việc tưởng tượng ra vùng dẫn cũng tỏ ra hết sức khó khăn – và nay cả hai thách thức này đã được khắc phục bởi Tilman Esslinger và các đồng sự tại trường ETH Zürich. Đội nghiên cứu đã sử dụng kính hiển vi để thu được ảnh phân giải cao của một kênh dẫn rộng khoảng 18 µm và dài chừng 30 µm. Kênh dẫn đó được tạo ra bởi sự tập trung một laser thành hai cái thùy – với một kênh hẹp tồn tại trong vùng tối giữa hai cái thùy đó.
Kênh dẫn đó nối liền hai bể chứa đầy một chất khí gồm khoảng 40.000 nguyên tử lithium-6 được làm lạnh xuống tới 250 nK. Một gradient từ trường tác dụng lên hệ trong quá trình làm lạnh, mang lại mật độ nguyên tử ở bể bên phải lớn hơn ở bể bên trái.
Sau đó người ta tắt gradient từ trường đi và các nguyên tử bắt đầu dẫn qua kênh hẹp từ phải sang trái. Một tính chất quan trọng của chất khí là quãng đường trung bình mà một nguyên tử đi được trước khi nó va chạm với một nguyên tử khác lớn gấp 40 lần chiều dài của kênh dẫn. Điều này có nghĩa là đa số các nguyên tử sẽ bay thẳng qua kênh dẫn như những viên đạn – và sự dẫn kiểu đạn bắn này là cái mà người ta tin rằng xảy ra trong những vật dẫn nhỏ xíu như ống nanocarbon.
Định luật Ohm cho các nguyên tử
Trước tiên, Esslinger và đội của ông tập trung vào trường hợp đạn bắn này và tìm thấy sự dẫn xảy ra theo kiểu tương tự như sự dẫn điện theo định luật Ohm – nghĩa là tốc độ các nguyên tử ra khỏi một bể (tương đương như dòng điện) tỉ lệ với độ chênh lệch số lượng nguyên tử ở mỗi bể (tương đương với điện áp) và là một hằng số liên quan đến sự dẫn của kênh đó. Sự tương tự này được củng cố thêm bởi thực tế rằng, giống như electron, lithium-6 là fermion. Điều này có nghĩa là ở những nhiệt độ thấp, các mức năng lượng của chất khí tương tự như các mức năng lượng của một tập hợp electron.
Sự dẫn theo định luật Ohm được trông đợi khi các nguyên tử chen lấn nhau qua một kênh mất trật tự tán xạ theo kiểu khuếch tán. Vì thế, thoạt nhìn, ta thấy có chút lạ là hành trạng kiểu định luật Ohm lại áp dụng cho các nguyên tử đạn bắn không va chạm khi chúng đi qua kênh dẫn. Chìa khóa để tìm hiểu hiện tượng này, theo Esslinger, là hãy nghĩ tới cái xảy ra với các nguyên tử ở ranh giới giữa bể bên phải và kênh dẫn. Tại điểm này, một nguyên tử có thể hoặc bay thẳng qua kênh hoặc bị phản xạ trở lại trong một quá trình cơ lượng tử đã được mô tả lần đầu tiên vào năm 1957 bởi nhà vật lí người Mĩ gốc Đức Rolf Landauer.
Cho nên, mặc dù chúng không tán xạ khi chúng đi qua kênh dẫn, nhưng sự tán xạ của chúng tại lối vào mang lại một sự dẫn điện theo định luật Ohm. Hành trạng trên được xác thực bằng cách sử dụng kính hiển vi để đo mật độ của các nguyên tử trên toàn kênh dẫn. Kết quả làm sáng tỏ một sự biến thiên đột ngột mật độ tại chỗ tiếp giáp với bể bên phải và một mật độ tương đối đồng đều trong toàn kênh dẫn. Điều này xác nhận rằng đa phần sự tán xạ xảy ra tại ranh giới chứ không phải trong kênh dẫn.
Sự giảm mật độ tuyến tính
Sau đó đội nghiên cứu đã lặp lại thí nghiệm với các thông số của kênh dẫn thay đổi sao cho sự tán xạ khuếch tán xảy ra. Điều này được thực hiện bằng cách đưa một đốm laser vào kênh dẫn. Một lần nữa các nhà nghiên cứu đo được hành trạng kiểu định luật Ohm, nhưng với một hằng số dẫn khác. Ảnh chụp qua kính hiển vi cho thấy mật độ nguyên tử giảm tuyến tính dọc theo kênh dẫn – cái cho thấy sự dẫn mang tính khuếch tán.
Đã tiến hành các nghiên cứu trong một chất khí nguyên tử cực lạnh, Esslinger và các đồng sự muốn nghiên cứu sự dẫn kiểu đạn bắn khi các nguyên tử tương tác với nhau. Yêu cầu này có thể thực hiện bằng cách tác dụng một từ trường được chọn lọc cẩn thận lên các nguyên tử để tạo ra cái gọi là các cộng hưởng Feshbach.
Tham khảo: http://www.sciencemag.org/content/early/2012/08/01/science.1223175.abstract
Hoài Ân (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
![[Sách] Sóng - Các nguyên lí của ánh sáng, điện và từ học](/bai-viet/images/2011/08/song-nguyenli.bmp)
