Chứng minh thành công thí nghiệm tưởng tượng của Feynman với hai khe thực

Các nhà vật lí ở Mĩ và Canada cho biết họ đã làm được phần việc khó nhất của việc hiện thực hóa thí nghiệm tưởng tượng nổi tiếng của Richard Feynman về cách thức các electron độc thân đi qua hai khe hẹp. Mặc dù không phải là những người đầu tiên tái tạo thí nghiệm Feynman trong phòng thí nghiệm, nhưng họ cho biết thí nghiệm của họ thâu tóm tốt nhất cái cốt lõi của thí nghiệm gốc.

Feynman nêu ra thí nghiệm tưởng tượng của ông trong tập ba của bộ bài giảng nổi tiếng của ông, Những bài giảng vật lí của Feynman, là một cách minh họa lưỡng tính sóng-hạt trong cơ học lượng tử. Trong quyển sách đó, ông đã mời người đọc tưởng tượng việc chiếu từng electron độc thân qua hai khe hẹp rồi đánh dấu vị trí nơi mỗi electron đi tới màn ảnh đặt phía sau hai khe.

Sau khi nhiều electron đã đi qua hai khe, các vạch dấu trên màn ảnh sẽ tạo ra hệ vân nhiễu xạ - minh họa cho hành trạng kiểu sóng của mỗi electron. Nhưng nếu người ta che một trong hai khe đi để mỗi electron chỉ có thể đi qua khe kia, thì hệ vân nhiễu xạ sẽ không xuất hiện – cho thấy mỗi electron thật sự đi qua cả hai khe.

Khi tập ba của bộ Những bài giảng vật lí của Feynman được xuất bản vào năm 1965, các nhà vật lí đã biết rằng việc chiếu một chùm electron vào một khe đôi mang lại một hệ vân nhiễu xạ bởi thí nghiệm được Claus Jönsson thực hiện vào năm 1961 tại trường Đại học Tübingen ở Đức. Nhưng trong khi công trình của Jönsson minh họa rõ ràng rằng một chùm electron có thể hành xử như một sóng, thì nó không xác nhận một điểm mấu chốt của thí nghiệm Feynman – mỗi electron tự nó có thể hành xử giống như một sóng.

Loạt ảnh cho thấy hệ vân do các electron tạo ra khi mặt nạ nằm ở những vị trí khác nhau. Vị trí của mặt nạ (hình chữ nhật màu cam) so với hai khe (hai vạch sáng) được thể hiện ở bên trái của mỗi hình. Khi cả hai khe để mở, hệ vân nhiễu xạ xuất hiện; còn khi chỉ có một khe để mở, thì hệ vân không có mặt. (Ảnh: Herman Batelaan/New Journal of Physics)

Sự nhiễu xạ hai khe với electron độc thân được chứng minh lần đầu tiên vào năm 1974 bởi Giulio Pozzi và các đồng sự tại trường Đại học Bologna ở Italy. Họ đã cho các electron độc thân đi qua một lưỡng lăng kính – một dụng cụ có chức năng giống như một khe đôi – và quan sát thấy sự hình thành của một hệ vân nhiễu xạ. Một thí nghiệm tương tự cũng được thực hiện vào năm 1989 bởi Akira Tonomura và các đồng sự tại phòng nghiên cứu của hãng Hitachi ở Nhật Bản.

Thí nghiệm electron độc thân đầu tiên sử dụng một khe đôi thực sự được báo cáo vào năm 2008 bởi Pozzi và các đồng sự. Đội người Italy còn tiến hành thí nghiệm với một khe bị che đi, và đúng như trông đợi, nó không dẫn tới sự hình thành của hệ vân nhiễu xạ hai khe. Đội còn tiến hành một thí nghiệm khác vào năm 2012, trong đó sự tới nơi của từng electron đến từ hai khe được ghi lại tuần tự từng hạt một.

Herman Batelaan thuộc trường Đại học Nebraska-Lincoln, cùng với các đồng nghiệp ở đó và tại Viện Vật lí Lí thuyết Perimeter ở Waterloo, Canada, cho biết họ vừa tạo ra một thí nghiệm hai khe tuân theo phương pháp luận chính xác của thí nghiệm tưởng tượng Feynman.

Công trình ban đầu vốn là một đề án tốt nghiệp tại Nebraska và nhận được sự quan tâm khi Damian Pope ở Viện Perimeter biết được Batelaan và đồng sự đang nghiên cứu hiện thực hóa thí nghiệm Feynman. Pope thiết tha muốn ghi phim về thí nghiệm tưởng tượng đó.

Đội nghiên cứu đã chế tạo một khe đôi trên một màng mỏng silicon mạ vàng, trong đó mỗi khe rộng 62 nm và dài 4 μm và hai khe cách nhau 272 nm. Để chặn đi một khe, một mặt nạ nhỏ xíu được điều khiển bởi một mũi áp điện trượt tới lui trên hai khe.

Các electron được tạo ra tại một dây tóc tungsten và được gia tốc qua 600 V rồi chuẩn trực thành một chùm tia. Sau khi đi qua hai khe, chúng được phát hiện ra bởi một bản dò đa kênh.

Cường độ của nguồn electron được thiết lập thấp đến mức chỉ có một electron mỗi giây được phát hiện – để đảm bảo rằng mỗi lượt chỉ có một electron sẽ đi qua hai khe. Ở tốc độ này, người ta mất chừng hai giờ để cho một hệ vân hình thành trên máy dò – một quá trình được ghi lại trực tiếp bằng video. Các phép đo được lặp lại với mặt nạ quét qua lại nhiều vị trí: trước tiên chặn cả hai khe, rồi chặn một khe, sau đó không chặn khe nào, rồi chặn khe bên kia. Đúng như trông đợi, hệ vân hai khe xuất hiện khi các electron được phép đi qua cả hai khe, nhưng không xuất hiện khi một khe bị chặn lại.

Batelaan cho biết thí nghiệm trên đặc biệt quan trọng khi nhìn từ quan điểm rộng, bởi vì không giống như thí nghiệm lưỡng lăng kính trước đây, nó thật sự sử dụng một khe đôi và do đó dễ đến với mọi người hơn. Được biết, thí nghiệm hai khe Young với electron độc thân đã được độc giả báo Physics World bầu chọn là “thí nghiệm đẹp nhất trong vật lí học” hồi năm 2002.

Tham khảo: New Journal of Physics.

Nguồn: physicsworld.com