Là một hạt sơ cấp, electron không thể phân chia thành những hạt nhỏ hơn, ít nhất là cho đến nay người ta được biết. Tuy nhiên, trong một hiện tượng gọi là chia nhỏ electron, trong những chất liệu nhất định, một electron có thể phân chia thành “những xung điện tích” nhỏ hơn, mỗi xung mang một phân số của điện tích electron. Mặc dù hiện tượng chia nhỏ electron có nhiều hàm ý hấp dẫn, nhưng căn nguyên của nó vẫn chưa được người ta hiểu rõ.
Trong một bài báo mới công bố trên tạp chí Nature Communications, một đội nhà vật lí đứng đầu bởi Gwendal Fève tại trường Ecole Normale Supérieure ở Paris và Phòng thí nghiệm Quang lượng tử và Cấu trúc nano ở Marcousis vừa áp dụng một thí nghiệm thường được sử dụng để nghiên cứu photon để khảo sát cơ chế nền tảng của sự chia nhỏ electron. Phương pháp đó cho phép các nhà nghiên cứu quan sát sự chia nhỏ electron độc thân ở cấp độ pico giây.
“Chúng tôi đã có thể hình dung sự phân tách một gói sóng điện tử thành hai gói phân số hóa mang nửa điện tích electron ban đầu,” Fève phát biểu với Phys.org. “Sự chia nhỏ electron đã được nghiên cứu trong các công trình trước đây, chủ yếu trong 5 năm gần đây. Công trình của chúng tôi là nghiên cứu đầu tiên kết hợp độ phân giải electron độc thân – cái cho phép chúng tôi xử lí quá trình chia nhỏ ở mức sơ cấp – với độ phân giải thời gian để hình dung trực tiếp quá trình chia nhỏ.”
Ảnh minh họa sự chia nhỏ electron. Khi một electron lan truyền dọc theo dây dẫn 1D bên ngoài trong một giao thoa kế, tương tác Coulomb giữa dây 1D bên ngoài và dây 1D phía trong tạo ra hai loại cặp kích thích, như thể hiện trên hình: hai xung cùng dấu (mang một điện tích toàn phần) và hai xung trái dấu (cộng lại trung hòa). Vì hai cặp kích thích khác nhau đó lan truyền ở vận tốc khác nhau, cho nên electron ban đầu rốt cuộc chia nhỏ thành hai xung điện tích riêng biệt trong dây dẫn phía trong. Ảnh: Freulon, et al. ©2015 Nature
Kĩ thuật mà các nhà nghiên cứu sử dụng được gọi là thí nghiệm Hong-Ou-Mandel, nó có thể được dùng để đo mức độ tương đồng giữa hai photon, hay trong trường hợp này là giữa các xung điện tích electron, trong một giao thoa kế. Thí nghiệm này còn đòi hỏi một máy phát electron độc thân, thiết bị được chính các nhà nghiên cứu trong nhóm, cùng với nhiều người khác, mới phát triển trong thời gian gần đây.
Trước tiên, các nhà nghiên cứu phân tích sự lan truyền của một electron độc thân trong dây dẫn một chiều bên ngoài của giao thoa kế, và sau đó khi electron bị chia nhỏ, họ có thể quan sát sự tương tác giữa hai xung điện tích của nó trong dây dẫn một chiều phía trong. Như các nhà nghiên cứu lí giải, khi electron ban đầu đi theo dây dẫn bên ngoài, các tương tác Coulomb (tương tác giữa các hạt tích điện) giữa các trạng thái kích thích trong dây bên ngoài và dây phía trong tạo ra hai loại cặp kích thích: hai xung cùng dấu (mang một điện tích toàn phần) và hai xung trái dấu (cộng lại trung hòa). Hai cặp kích thích khác nhau đó lan truyền ở vận tốc khác nhau, một lần nữa do các tương tác Coulomb, làm cho electron ban đầu phân chia thành hai xung điện riêng biệt.
Thí nghiệm cho thấy, khi một electron độc thân chia nhỏ thành hai xung, thì trạng thái cuối cùng không thể mô tả được là một trạng thái hạt độc thân nữa, mà thay vậy là một trạng thái tập thể gồm vài ba kích thích. Vì lí do này, quá trình chia nhỏ đó phá hủy hạt electron ban đầu. Sự phá hủy electron có thể đo được bởi sự mất kết hợp của gói sóng electron.
Việc hiểu rõ hơn hiện tượng chia nhỏ electron có thể có nhiều hàm ý cho nghiên cứu trong lĩnh vực vật lí vật chất ngưng tụ, ví dụ như việc điều khiển các dòng electron độc thân trong các dây dẫn một chiều.
“Trong những năm gần đây, đã có những nỗ lực to lớn nhằm điều khiển và nắn chỉnh sự lan truyền của các electron trong các vật dẫn điện tử,” Fève nói. “Nó có nhiều tương đồng với các nắn chỉnh trạng thái lượng tử của các photon trong lĩnh vực quang học. Với sự điều khiển như vậy, thì các vật dẫn một chiều là hữu ích, vì chúng mang lại khả năng dẫn hướng electron đi theo quỹ đạo một chiều. Tuy nhiên, các tương tác Coulomb giữa các electron cũng rất mạnh trong các dây dẫn một chiều, mạnh đến mức các electron bị phá hủy: chúng chia nhỏ ra. Tìm hiểu sự chia nhỏ là tìm hiểu cơ chế phá hủy của một electron sơ cấp trong một dây dẫn một chiều. Kiến thức đó rất quan trọng nếu người ta muốn điều khiển các dòng electron ở mức sơ cấp electron độc thân.”
Trước mắt, các nhà nghiên cứu dự định tiến hành thêm các thí nghiệm với giao thoa kế Hong-Ou-Mandel để hiểu rõ hơn tại sao sự chia nhỏ dẫn tới sự phá hủy electron, và khả năng làm thế nào khống chế sự chia nhỏ.
“Người ta có thể dùng giao thoa kế Hong-Ou-Mandel để hình dung sự diễn tiến thời gian (hay hình dạng) của các gói sóng điện tử, đó là cái chúng ta thường hình dung là quá trình chia nhỏ,” Fève nói. “Nó còn có thể được dùng để ghi lại liên hệ pha (hay độ kết hợp pha) giữa hai thành phần của gói sóng điện tử đó.”
“Thông tin kết hợp này xác định đầy đủ trạng thái electron độc thân, mang lại khả năng hình dung hàm sóng của các electron độc thân đang lan truyền trong một vật dẫn một chiều. Thí nghiệm này lần đầu tiên mang lại sự hiểu biết đầy đủ về cơ chế chia nhỏ và đặc biệt là cách nó dẫn tới sự mất kết hợp của các trạng thái electron độc thân. Nó cũng sẽ mang lại khả năng kiểm tra xem các electron độc thân có thể được bảo vệ khỏi sự mất kết hợp gây ra bởi tương tác Coulomb hay không. Liệu chúng ta có thể khống chế (hay làm yếu) quá trình chia nhỏ bằng cách giảm độ lớn của tương tác Coulomb hay không? Khi đó chúng ta sẽ có thể kĩ thuật hóa và hình dung các trạng thái electron độc thân thuần khiết, được giữ nguyên khỏi tương tác Coulomb.”
“Lẽ tự nhiên bước tiếp theo sẽ là xử lí các trạng thái vài-hạt và sự vướng víu electron trong các vật dẫn lượng tử. Một lần nữa, vấn đề những trạng thái như thế có bị phá hủy bởi các hiệu ứng tương tác Coulomb sẽ là một câu hỏi mấu chốt.”
Tham khảo: V. Freulon, et al. "Hong-Ou-Mandel experiment for temporal investigation of single-electron fractionalization." Nature Communications. DOI: 10.1038/ncomms7854
Nguồn: Physorg.com
