Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 83)

LED

Diode phát quang (LED) là một nét tiêu biểu khác của cuộc sống hằng ngày hoạt động dựa trên các nguyên lí lượng tử. Bên trong mỗi bóng đèn LED là một con chip bán dẫn chỉ dẫn điện trong những điều kiện nhất định. LED bán dẫn có cấu tạo gồm hai lớp vật liệu kết tinh, ví dụ gallium arsenide hoặc gallium nitrate, pha trộn với các nguyên tố khác để làm thay đổi một chút các tính chất dẫn của nó. Sự pha trộn này làm cho một lớp có thừa electron năng lượng cao và lớp kia có nhiều khoảng trống năng lượng thấp để các electron điền vào.

Nằm giữa hai lớp là một khe trống gọi là lớp chuyển tiếp p-n (p ám chỉ lớp có các khoảng trống, còn n ám chỉ lớp có các electron thừa). Lớp chuyển tiếp p-n là một diode, nghĩa là các electron chỉ có thể chạy theo một chiều khi thiết lập một điện áp. Khi chúng băng qua lớp chuyển tiếp p-n, các electron phải đánh rơi những lượng tử năng lượng ở dạng ánh sáng, làm cho diode phát sáng. Lớp chuyển tiếp càng rộng thì bước nhảy lượng tử càng lớn, và ánh sáng phát ra có năng lượng càng cao và bước sóng càng ngắn.

LED

Đồng hồ nguyên tử

Là những máy đo thời gian chính xác nhất trong Vũ trụ, đồng hồ nguyên tử hoạt động dựa hoàn toàn vào các nguyên lí lượng tử. Người ta dùng từ trường và ánh sáng laser lam để làm lạnh từng nguyên tử beryllium, caesium, hay strontium đến những nhiệt độ cực thấp tại đó các nguyên tử khó mà chuyển động được. Sau đó chiếu một laser đỏ lên các nguyên tử, bước sóng của nó được điều chỉnh đặc biệt cho khớp với năng lượng cần thiết cho các electron của chúng thực hiện một bước nhảy lượng tử lên một mức năng lượng cao hơn.

Một khi các electron đã hấp thụ một photon và nhảy lên, chúng lập tức phát ra một photon vi sóng và rơi trở xuống. Miễn là các nguyên tử vẫn còn được chiếu sáng bởi laser đỏ, thì các electron tiếp tục nhảy lên và rơi xuống trong một chu kì chính xác, giống như một con lắc gõ giây. Các xung vi sóng phát ra tạo ra một tín hiệu có thể đo được với sai lệch chỉ một giây trong 300 triệu năm. Còn chính xác hơn nữa là “đồng hồ lượng tử”, chúng đo các trạng thái dao động của các ion beryllium hoặc nhôm được làm lạnh. Các đồng hồ này chỉ sai lệch một giây trong 3,86 tỉ năm.

Đồng hồ nguyên tử