|
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)
và 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 và 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
và 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
và 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 |