Thế giới lượng tử kì bí: Hiệu ứng Aharonov-Bohm

Đây là một thí dụ đẹp của sự vô lí lượng tử. Lấy một nam châm hình vành khăn và bọc một tấm chắn kim loại xung quanh rìa bên trong của nó sao cho không có từ trường nào có thể rò rỉ qua lỗ trống ở giữa. Rồi bắn một electron vào lỗ trống đó.

Không có từ trường nào trong lỗ, nên electron sẽ hoạt động như thể không có từ trường, đúng hay không? Sai. Sóng đi cùng với chuyển động của electron chịu một sự run lắc như thể có cái gì ở đó ở trong.

alt

Bắt đầu với một nam châm hình vành khăn...

Werner Ehrenberg và Raymond Siday là những người đầu tiên lưu ý đến hành vi này ẩn nấp trong phương trình Schrödinger. Đó là vào năm 1949, nhưng kết quả của họ vẫn không được ai chú ý tới. Mười năm sau, Yakir Aharonov và David Bohm, làm việc tại trường đại học Bristol ở Anh, đã phát hiện lại hiệu ứng trên và vì một số nguyên do nào đó, tên tuổi của họ đã gây sự chú ý.

Vậy thì cái gì đang diễn ra? Hiệu ứng Aharonov-Bohm là bằng chứng cho thấy có nhiều điện trường và từ trường hơn người ta vẫn nghĩ. Bạn không thể tính được cỡ của hiệu ứng trên một hạt bằng cách chỉ xét các tính chất của điện trường và từ trường nơi hạt ở đó. Bạn còn phải tính đến các tính chất nơi nó không có ở đó.

Nhằm tìm lời giải đáp, các nhà vật lí quyết định khảo sát một tính chất của từ trường gọi là thế vec-tơ. Trong một thời gian dài, các thế vec-tơ chỉ được xem là những công cụ toán học thuận tiện – một dạng thể hiện nhanh cho các tính chất điện và từ không có bất kì tầm quan trọng thực tiễn nào. Nhưng hóa ra chúng mô tả cái gì đó thật sự rất thực tế.

Hiệu ứng Aharonov-Bohm chứng tỏ rằng thế vec-tơ làm cho một trường điện từ lớn hơn tổng các thành phần của nó. Ngay cả khi trường không có mặt ở đó, thì thế vec-tơ vẫn tác dụng một ảnh hưởng nào đó. Ảnh hưởng đó được nhìn thấy rõ ràng lần đầu tiên vào năm 1986 khi Akira Tonomura và các đồng nghiệp tại phòng thí nghiệm Hitachi ở Tokyo, Nhật Bản, đo được một chuyển động run lắc electron hết sức ma quái (Physical Review Letters, vol 48, tr. 1443).

Mặc dù khác xa với những hiện tượng hàng ngày, nhưng hiệu ứng Aharonov-Bohm có thể có những ứng dụng trong thế giới thực – trong các bộ cảm biến từ, chẳng hạn, hoặc những tụ điện nhạy trường và những bộ đệm lưu trữ dữ liệu cho các máy tính xử lí ánh sáng.

Theo New Scientist