Giải thưởng Nobel 1998: Thế giới Hạt Tử Vinh Quang

Nguyễn Toàn                  ngày 26/03/2004                         
 
 

 

Cả hai giải thưởng Nobel Vật lý và Hóa học năm 1998 đều nhấn  mạnh về  sự đánh giá cao tầm quan trọng hàng đầu của  Vật lý Lượng Tử trong khoa học hiện đại. Trước nhất là giải Hóa học, trao tặng cho Walter Kohn (nhà vật lý học)  John Pople (nhà Toán học) cho công trình phát triển những phương pháp tính cơ cấu điện tử của  nguyên tử, phân tử và chất rắn. Sự phân bố của các  điện tử  trong  một phân tử và những mức năng lượng  khác nhau của  chúng thì cần thiết để hiểu cách hoạt động hóa học của  phân tử đó (năng lượng kích hoạt của phản ứng vân vân..). Trên nguyên tắc, những dữ kiện này là thành quả của bài giải phương trình sóng Schrödinger về hàm số sóng của  phân tử, tùy theo toạ độ của  tất cả những  electron hiện diện.

Không thể  có lời giải chính xác, trừ  khi phương trình dùng cho nguyên tử đơn giản nhất như Hydrogen. Còn với những nguyên tử  phức tạp hơn, những  phân tử hay hơn nữa  những chất rắn kết tinh mang  một lượng  electron  khổng  lồ, thì  người ta chỉ tính gần đúng (approximation). Walter Kohn là  tác  giả của  phép tính gần đúng loại này, gọi là mật độ địa  phương. Phép tính gần đúng  này đi từ nguyên tắc là mức độ năng lượng thấp nhất của phân tử (mức độ cơ bản)  có thể  diễn tả y hệt như  theo hàm số của  mật độ điện tử tại  mỗi điểm.  Trong cách mô tả  này, mất độ điện tử  đóng vai trò quan trọng, nó cho ta  thêm trực cảm  hơn là xem nó như một hàm số sóng cho nhiều electron. Khi lập độ gần đúng căn cứ trên kiểu mô tả này, người ta có thể  suy ra kiến trúc  điện tử của  những  tinh thể rắn, những chất rắn vô định hình, những  phân tử sinh học.   Trong  Vật lý Chất rắn, cho dù  phương cách này hạn chế, nhưng dù sao nó cũng được  dùng  làm điểm khởi hành cho những  phép tính lý thuyết cao hơn để  khảo cứu những  hiệu quả mà ngành này không chú trọng

Gìai thoại :

Walter Kohn, sinh năm 1923, cha  mẹ  là người Do Thái, bỏ quê hương nước Áo năm 1939 để  tị nạn sang  Anh, lúc đó  họ bị xem như kẻ thù. Ông  bị  đưa vô trại tập trung tù nhân tại Canada, Sherbrooke. Liền sau đó ông được thả ra và  làm việc  cho chính phủ  Canada. Sau đó ông mới bắt đầu học Ðại học  tại Canada  và Hoa  kỳ.

 Về  phần John Pople,  ông đã  soạn thảo và cải tiến phép toán  algorithme để  tính được hàm số sóng cho nguyên tử và phân tử. Phương pháp ông dùng để khai triển trở thành tiêu chuẩnvà là nền tảng cho những chương trình thương mại hóa chuyên về kiến trúc phân tử. Phương pháp này chính xác hơn của  Kohn, nhưng  bị giới hạn ở những  phân tử  giản dị.

   

 Giải Npbel Vật lý được trao tặng cho hai nhà nghiên cứu Horst Stormer Daniel Tsui, về khám phá  hiệu ứng Hall Lượng tử Phân số (EHQF) và cho nhà  lý thuyết Robert Laughlin về lời giải thích mà  ông đã cho. Ta hãy giải thích sơ qua  chuyện gì đã xảy ra:

 
 

 

Hiệu ứng Hall, đã được biết từ  một thế kỷ, nói về  một điện áp nằm ngang V xuất hiện trong  một dây dẫn điện (conducteur) trong đó một dòng điện I chạy qua với sự hiện diện của từ trường thẳng đứng B (xem hình). Hiệu ứng  này được giải thích  bởi từ lực thẳng góc đặt trên  các điện tử đang  di động trong dây dẫn.  Vả lại năm 1980, nhà vật lý học  Ðức  Klaus von Klitzing đã khám phá ra trong  cấu trúc  của  những chất bán dẫn từng lớp mỏng (gọi là dị cấu trúc, hétérostructures  mà  hiệu ứng  Hall được xác định số lượng (quantifìé) nghĩa là điện trở Hall (tỉ số V/I) có dạng R = h/i e2  trong đó h là hằng số Planck, e: điện tích của điện tử và i là  số nguyên dương. Sự xác định số lượng có độ chính xác  một phần triệu và  tỉ số h/e² = 25813 ohm ngày nay được dùng như một điện trở chuẩn.

Muốn  hiểu được sự định lượng, phải biết cách hoạt động của một điện tử trong  từ trường, theo quan niệm cơ học lượng tử: một điện tử tự do có thể có một năng lượng  bất kỳ nhưng trong  một từ trường, năng lượng kích họat của nó sẽ  là  bội số nguyên i của hf, trong đó  f là  tần số cyclopotron qB/m, nghĩa là tần số của quỹ đạo tròn của  một điện tử cổ điển trong từ trường  có độ lớn B. Ngược lại có một số lớn trạng thái lượng tử cho cùng  một bội số nguyên  i. Những trị số định lượng của  điện trở Hall  tạo ra khi tất cả những trạng thái tương đương với một một giá trị cho trước của  i bị chiếm chỗ bởi những điện tử  (tương tự như một lớp hoàn toàn chất đầy trong  một điện tử) Nhưng Stormer Tsui ngạc nhiên khám phá ra một trạng thái  khác, tương đương với một phân số của  i, tức là 1/3,  như thể  lớp ấy chỉ đầy có 1/3, nhưng  điện trở cũng  được định lượng, nghĩa là cần năng lượng để thêm một điện tử phụ. Cái mà  Stormer Tsui khám phá là  một trạng thái mới của vật chất được tạo ra  trong một cấu trúc dị biệt ở nhiệt độ thấp và  từ trường  mạnh. Ta không thể giải thích trạng thái  vật chất này một cách giản dị bằng cách xem như các điện tử  là độc lập và chất đầy những trạng thái lượng tử như người ta thường  giảng nghĩa quá  đơn giản cơ cấu của nguyên tử. Ta cũng phải kể  đến lực đẩy  tĩnh điện của các  điện tử. Công lao của Laughlin là có trực cảm đúng  về hàm số sóng phỏng chừng để diễn tả trạng thái này và  lập ra những trạng thái kích thích cao hơn trạng thái cơ bản tương ứng với những tính chất hạt (hay  kích thích) có  điện tích là một phân số (1/3 điện tích của  điện tử) Phải xác  định là những quasi-particules này không  phải là  những  quark hay những  hạt sơ cấp: đó là những  kiểu kích thích  tấp thể của  tập hợp các  điện tử, có được từ lực đẩy điện, mà không có  liên quan gì đến những  điện tử riêng rẽ.
 

 David Sénéchal j  L'Attracteur  

 http://www.physique.usherbrooke.ca/attracte/07-1999/Nobel98.htm