Trong một thí nghiệm mới, một sợi quang silic với đường kính chỉ 500 nm tỏ ra không tuân theo định luật bức xạ Planck. Thay vậy, theo các nhà vật lí người Áo tiến hành thí nghiệm trên, sợi quang đó nóng lên và nguội đi theo một lí thuyết khái quát hơn xem bức xạ nhiệt là một hiện tượng cơ bản toàn vẹn. Nghiên cứu trên có thể đưa đến những bóng đèn nóng sáng hiệu quả hơn và có thể cải thiện kiến thức của chúng ta về sự biến đổi khí hậu của Trái đất.
Là một cột trụ của nhiệt động lực học, định luật Planck mô tả mật độ năng lượng ở những bước sóng khác nhau của bức xạ điện từ phát ra bởi một “vật đen” biến thiên như thế nào theo nhiệt độ của vật. Nó được thiết lập bởi nhà vật lí người Đức Max Planck vào đầu thế kỉ 20 sử dụng khái niệm lượng hóa năng lượng làm tiền đề và là cơ sở cho cơ học lượng tử. Trong khi một vật đen là một vật lí tưởng hóa, hấp thụ và phát xạ hoàn hảo, nhưng định luật Planck thật sự mang lại những tiên đoán rất chính xác cho phổ bức xạ của những vật thực tế một khi những tính chất bề mặt của những vật đó, ví dụ như màu sắc và độ gồ ghề, được xét đến.
Tuy nhiên, các nhà vật lí đã biết trong nhiều thập niên qua rằng định luật Planck không áp dụng được cho những vật có kích cỡ nhỏ hơn bước sóng của bức xạ nhiệt. Planck đã giả định rằng toàn bộ bức xạ đi tới một vật đen sẽ bị hấp thụ tại bề mặt của vật đó, gợi ý rằng bề mặt đó cũng là một vật phát hoàn hảo. Nhưng nếu vật đó không đủ dày, thì bức xạ tới có thể rò rỉ sang phía bên kia của vật thay vì bị hấp thụ, thành ra làm giảm sự phát xạ của nó.
Phía trên là bố trí thí nghiệm đo tốc độ nóng lên và nguội đi của một sợi quang dày 500 nm. Bên dưới là ảnh chụp hiển vi điện tử của sợi quang đó. (Ảnh: Christian Wuttke)
Những dị thường phổ đã được phát hiện trước đây
Những nhóm nghiên cứu khác trước đây đã chứng minh rằng những vật nhỏ xíu không hành xử như Planck tiên đoán. Ví dụ, hồi năm 2009 Chris Regan và các đồng sự tại trường Đại học California, Los Angeles, báo cáo rằng họ đã tìm thấy những dị thường trong phổ bức xạ phát ra bởi một ống nano carbon chỉ rộng 100 nguyên tử.
Trong nghiên cứu mới nhất này, Christian Wuttke và Arno Rauschenbeutel thuộc trường Đại học Công nghệ Vienna thu được một kết quả còn tốt hơn với việc chứng minh thực nghiệm rằng phổ phát xạ của một vật nhỏ xíu khớp với dự đoán của một lí thuyết khác.
Để tạo ra sợi quang dày 500 nm dùng trong thí nghiệm của mình, Wuttke và Rauschenbeutel đã làm nóng và kéo một sợi quang thường. Sau đó họ làm nóng đoạn cực mỏng đó, nó dài vài mm, bằng cách chiếu một chùm laser qua nó và sử dụng một laser khác để đo tốc độ nóng lên và sự nguội đi sau đó. Bị phản xạ giữa hai cái gương tích hợp vào trong sợi quang cách nhau một khoảng cách cố định, chùm laser thứ hai này chạy trong chu trình cộng hưởng khi nhiệt độ biến thiên là thay đổi chiết suất của sợi quang và do đó làm thay đổi bước sóng của bức xạ đi qua nó.
Điện động lực học thăng giáng
Bằng cách đo thời gian giữa các cộng hưởng, các nhà nghiên cứu tìm thấy sợi quang đó nóng lên và nguội đi chậm hơn nhiều so với dự đoán bởi định luật Stefan–Boltzmann. Định luật này là một hệ quả của định luật Planck và xác định công suất toàn phần phát ra bởi một vật có liên quan như thế nào với nhiệt độ của nó. Thay vậy, họ tìm thấy tốc độ quan sát được rất khớp với dự đoán của một lí thuyết gọi là điện động lực học thăng giáng, lí thuyết không những xét các tính chất bề mặt của vật, mà còn xét kích cỡ và hình dạng của nó, cộng với độ dài hấp thụ đặc trưng của nó. “Chúng tôi là nhóm đầu tiên đo được công suất bức xạ toàn phần và chứng minh định lượng rằng nó phù hợp với các dự đoán trên mô hình,” Wuttke nói.
Theo Wuttke, nghiên cứu mới trên có thể có những ứng dụng thực tiễn. Chẳng hạn, theo ông, nó có thể đưa đến sự tăng hiệu suất của các bóng đèn nóng sáng truyền thống. Những dụng cụ như vậy phát ra ánh sáng vì chúng nóng lên đến điểm mà cực đại của phổ phát xạ của chúng nằm gần những bước sóng nhìn thấy, nhưng chúng tiêu hao rất nhiều năng lượng vì phần lớn công suất của chúng vẫn phát ra ở những bước sóng hồng ngoại. So sánh một sợi tóc bóng đèn dày 500 nm với một anten rất ngắn, Wuttke giải thích rằng nó sẽ không đủ dày để phát hiệu quả bức xạ hồng ngoại, bức xạ có bước sóng khoảng trên 700 nm, vì thế làm giảm sự phát xạ ở những bước sóng này và tăng sự phát xạ ở những bước sóng khả kiến ngắn hơn. Tuy nhiên, ông trình bày rằng trong khi sợi thủy tinh là lí tưởng trong phòng thí nghiệm, nhưng nó sẽ là một ứng cử viên tồi cho ứng dụng hàng ngày, vì nó là một chất cách diện và nó trong suốt với ánh sáng nhìn thấy. “Cần có nhiều nghiên cứu để tìm ra một chất liệu dẫn điện và dễ dàng nóng lên, trong khi có khả năng chế tạo đủ nhỏ và với số lượng lớn,” ông nói.
Các ứng dụng khí quyển
Nghiên cứu trên còn giúp chúng ta hiểu rõ hơn những hạt nhỏ trong khí quyển, ví dụ như những hạt tạo ra bởi sự xói mòn đất, sự cháy hay núi lửa phun, có đóng góp như thế nào đối với sự biến đổi khí hậu. Những hạt như vậy có thể làm nguội Trái đất, bằng cách phản xạ bước sóng mặt trời đến, hoặc là ấm Trái đất, bằng cách hấp thụ bức xạ nhiệt từ hành tinh chúng ta, giống như các chất khí nhà kính vậy. Theo Wuttke, “Cái đẹp của điện động lực học thăng giáng là chỉ cần biết hình dạng và đặc trưng hấp thụ của chất liệu là bạn có thể tính toán từ những nguyên lí cơ bản mức hiệu suất và nó đang hấp thụ và phát ra bức xạ nhiệt ở những bước sóng nào”. Nhưng ở đây cần có thêm nỗ lực để áp dụng nghiên cứu trên cho các điều kiện khí quyển thực tế.
Tuy nhiên, có một thứ mà Wuttke và Rauschenbeutel đảm bảo là nghiên cứu của họ không làm suy yếu cơ học lượng tử. Theo Rauschenbeutel, lí thuyết Planck bị hạn chế bởi giả thuyết rằng sự phát xạ và hấp thụ là những hiện tượng bề mặt thuần túy và bỏ qua những hiện tượng sóng. Mặt khác, nguyên lí lượng tử hóa năng lượng của ông vẫn có giá trị. “Lí thuyết mà chúng tôi kiểm tra sử dụng các thống kê lượng tử,” ông nói, “nên nó không mâu thuẫn với cơ học lượng tử.”
Tham khảo: http://arxiv.org/abs/1209.0536
123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com
