|
Post by Can Tho on May 17, 2011 16:40:05 GMT 9
Siêu vật liệuVietsciences- Trương Văn Tân 11/05/2011Những vật chất thiên nhiên thường có chiết suất n trong khoảng 1 đến 3 (thí dụ: chân không n = 1, thủy tinh n = 1,5, kim cương n = 2,4). Từ năm 2000, một loại vật liệu nhân tạo gọi là "siêu vật liệu" (metamaterials) đã được thiết kế và đang trở thành một đề tài nghiên cứu "nóng". Gần đây, các nhà khoa học Hàn Quốc mang đến một kết quả kinh ngạc. Họ thiết kế thành công một siêu vật liệu có chiết suất cực kỳ to, n = 33 [M. Choi et al, Nature 470 (2011)369]. Khác với vật liệu thiên nhiên như các chất vô cơ, hữu cơ, kim loại và oxit kim loại, siêu vật liệu là một cấu trúc được thiết kế hoàn toàn nhân tạo bằng cách bố trí những đơn vị cấu trúc sao cho chiết suất quang học có trị số theo ý muốn kể cả trị số âm. Hãy tưởng tượng khi ta có một chất lỏng có chiết suất âm, sự khúc xạ sẽ xảy ra ở một hướng nghịch lại (Hình1) Hình 1: Khúc xạ trong chất lỏng có chiết suất dương (hình trái) và trong chất lỏng giả tưởng có chiết suất âm [O. Hess, Nature 455 (2008) 299].Vật liệu nhân tạo này được biểu hiện bằng tiền tố "siêu" dịch từ chữ "meta" từ tiếng Hy Lạp, nghĩa là "vượt". Siêu vật liệu "vượt" qua những vật liệu thiên nhiên nằm ở ý nghĩa là khi đơn vị cơ bản của vật chất như chúng ta thường biết là phân tử, thì trong siêu vật liệu là những đơn vị cấu trúc nhân tạo có kích cỡ từ milimét đến nanomét. Chúng có thể là que micro/nano vàng, sợi micro/nano bạc, vòng kim loại hay là mạng lưới vi mô. Hình dáng, kích thước và cách sắp xếp của những đơn vị này được tính toán để thích ứng cho một ứng dụng do sự tương tác giữa siêu vật liệu và sóng điện từ (ánh sáng). Siêu vật liệu có chiết suất âm có ngay một tiềm năng ứng dụng là chế tạo ra "siêu thấu kính" (superlens). Các thấu kính quang học bình thường không cho hình ảnh rõ rệt của vật quan sát khi vật này có kích thước tương đương với bước sóng ánh sáng do sự nhoè nhiễu xạ. Nếu bước sóng của ánh sáng trắng là 550 nm (nanomét) thì ảnh của vật nhỏ hơn 550 nm (độ lớn của vi-rút) trong kính hiển vi quang học sẽ bị nhoè. Tuy nhiên, siêu thấu kính có chiết suất âm sẽ không bị ảnh hưởng của sự nhoè ảnh. Điều này cho thấy siêu thấu kính sẽ cho một dụng cụ quang học để quan sát một vật có độ lớn nhỏ hơn bước sóng của ánh sáng. Khả năng "kỳ quái" của siêu thấu kính lập tức có những đề nghị ứng dụng trong li-tô quang tạo ra những vi mạch đến cấp nanomét, sản xuất các loại đĩa quang học (DVD, CD) với lượng trữ dữ liệu vài trăm lần nhiều hơn và tiềm năng xử lý dữ liệu bằng ánh sáng trong máy vi tính hay dụng cụ điện tử. Một ứng dụng khác là "tàng hình". Khi chúng ta nhìn mặt đường vào mùa hè nóng bức, từ một khoảng cách thích hợp ta thấy trước mắt xuất hiện một “vũng nước" lung linh ảo ảnh của bầu trời và cây cối bên đường. Hiện tượng này do sự thay đổi dần dần của chiết suất từ trị số to của không khí lạnh phía trên đến trị số nhỏ hơn của không khí nóng tiếp giáp với mặt đường. Sự thay đổi chiết suất uốn cong đường đi của ánh sáng. Các nhà khoa học cũng đã thiết kế siêu vật liệu có sự thay đổi chiết suất làm cong đường đi của sóng điện từ xung quanh một vật như dòng nước chảy quanh khối đá nhô lên giữa dòng (Hình 2). Vì không có sự phản xạ sóng từ vật nên đối với người quan sát vật này "tàng hình". Như vậy, siêu vật liệu không những có thể có chiết suất âm mà còn là một tập hợp của những mảnh khảm (mosaic) quang học mang từng trị số chiết suất khác nhau làm cong đường đi sóng điện từ tùy theo ý muốn của con người. Hình 2: Đường đi của sóng điện từ trong siêu vật liệu: (A) Biểu hiện hai chiều, vật bị phủ là quả cầu tròn có bán kính R1, và lớp phủ có bề dày (R2-R1) và (B) Biểu hiện ba chiều [J. B. Pendry et al, Science 312 (2006) 1780]. Bằng cách thay đổi hình dạng đơn vị cấu trúc, các nhà khoa học Hàn Quốc hứa hẹn sẽ gia tăng chiết suất từ 33 đến vài trăm. Siêu vật liệu quả là "siêu" vì những tiềm năng ứng dụng mà con người chưa lường hết được. (Đã đăng trên tạp chí Tia Sáng 5/5/2011) ************************ Ứng dụng của siêu vật liệuVietsciences- Trương Văn Tân Một trong những tiềm năng ứng dụng của siêu vật liệu là "tàng hình" và "siêu thấu kính" [1]. Sóng thần, động đất và năng lượng xanh thoạt nghe như không có một sự liên hệ nào đến siêu vật liệu, nhưng nhóm nghiên cứu của giáo sư Xinhua Hu (Đại học Phục Đán, Thượng Hải, Trung Quốc) trong một bài báo cáo gần đây [2] đã dựa theo khái niệm chế tạo siêu vật liệu "tàng hình" làm thuật toán mô phỏng số cho thấy một ứng dụng rất thực tế và gần gũi: bảo vệ bờ biển bằng cách triệt tiêu những cơn sóng dữ. Việc phát hiện siêu vật liệu 10 năm trước đã được tạp chí Nature xem như là một cột mốc quan trọng trong lịch sử vật lý mang tầm vóc ngang hàng với việc khám phá laser, pin mặt trời hay tin học lượng tử. Trong việc thiết kế siêu vật liệu những đơn vị tạo thành phải nhỏ hơn bước sóng của sóng. Như thế, sóng không thể "nhìn" được từng chi tiết của đơn vị mà chỉ "thấy" một vật liệu đồng nhất. Thí dụ, vi ba có bước sóng vài centimét, đơn vị cấu trúc để tương tác với vi ba có thể ở cấp milimét. Ta thoải mái thiết kế và cải biến những đơn vị cấu trúc ở kích cỡ này để thao túng đường đi của sóng mà sóng "không hề hay biết". Đối với ánh sáng thấy được (có bước sóng vài trăm nanomét), việc thiết kế đòi hỏi kỹ năng tinh vi của công nghệ nano với sự chính xác ở cấp nanomét. Đối tượng của siêu vật liệu là việc bẻ cong sóng điện từ theo ý muốn của mình khi đi qua môi trường siêu vật liệu. Bẻ cong đường đi ánh sáng là sự kiện bình thường trong thiên nhiên khi ánh sáng đi vào môi trường có chiết suất khác nhau như sự khúc xạ giữa nước và không khí, trong lăng kính, hay giữa không khí nóng và lạnh gây ảo ảnh trên mặt đường. Ta nhìn thấy vật vì có sự phản xạ của ánh sáng từ vật đến mắt ta. Việc làm "tàng hình" một vật chẳng qua là việc bẻ cong đường đi của sóng điện từ xung quanh vật đó khiến cho sự phản xạ đến người quan sát không xảy ra, do đó vật tàng hình. Năm 2006, nhóm nghiên cứu liên trường của giáo sư John Pendry (Imperial College, London, Anh Quốc) và David Smith (Duke University, Mỹ) [3] lần đầu tiên đã chế tạo một siêu vật liệu làm tàng hình một vật trong vi ba (bước sóng centimét). Kết quả nghiên cứu này mang ý nghĩa quan trọng trong khoa học quốc phòng vì vi ba được sử dụng cho radar. Vài năm sau, trong nỗ lực nhằm làm tàng hình trong vùng ánh sáng thấy được, nhóm của giáo sư Xiang Zhang (Đại học California, Berkeley, Mỹ) làm tàng hình một vật trong tia hồng ngoại (bước sóng 1.600 nanomét) (Hình 1 và 2) [4]. Nhưng trong các thí nghiệm dùng siêu vật liệu, vật bị tàng hình có kích thước rất nhỏ ở cấp micromét (0,001 mm). Để làm con người tàng hình, một triệu lần to hơn, hay chiếc máy bay, một tỷ lần to hơn, chắc chắn sẽ còn nhiều gian nan. Hình 1: Nhóm Zhang tạo những lỗ kích cỡ nanomét ở khoảng cách khác nhau để dần dần thay đổi chiết suất của vùng (a) được phủ lên một vật (b). Tia hồng ngoại bị bẻ cong theo chu vi của vật (b) nên không có phản xạ; vật (b) tàng hình [4]. Hình 2: Hình trái: một vật tròn được nhìn thấy. Hình giữa: vật tròn được phủ kín bởi siêu vật liệu. Hình phải: Vật tròn tàng hình nhờ lớp phủ; lớp phủ cho ảo giác là ánh sáng bị phản chiếu từ mặt phẳng (Credit: Thomas Zentgraf). Nhóm Zhang còn có tham vọng triển khai siêu vật liệu cho sóng âm thanh. Siêu vật liệu âm thanh dễ chế tạo hơn siêu vật liệu sóng điện từ vì bước sóng của âm thanh khoảng 1 m. Hãy tưởng tượng ngày nào đó siêu vật liệu âm thanh sẽ được phủ lên tàu ngầm, các luồng âm thanh phát từ sonar truy lùng tàu ngầm chỉ trượt lên thân tàu mà không bị phản hồi. Sóng ra đi mà không bao giờ trở lại; sonar trở nên vô hiệu. Tiếc rằng vì bản chất thực dụng quốc phòng, những triển khai của siêu vật liệu âm thanh sẽ ít nghe thấy trên các diễn đàn công khai và đi dần vào màn đêm bí mật. Bài báo cáo của nhóm Hu [2] cho thấy khái niệm siêu vật liệu còn áp dụng cho sóng cơ học mà sóng nước là một thí dụ. Trong khi nhóm Pendry - Smith chế tạo ra những đơn vị siêu vật liệu ở kích thước milimét cho vi ba, nhóm Hu triển khai thành những ống hình trụ rỗng ở đơn vị mét. Những ống này có 4 khe dọc theo chiều cao ống và nếu được bố trí thích hợp (Hình 3) sẽ làm triệt tiêu sóng và hấp thụ 90 % năng lượng sóng biến thành điện năng. Một công hai việc. Có nhiều phê phán về công trình này nhưng cũng có ý kiến cho rằng đây là khái niệm tuyệt vời nhằm ngăn chặn sóng thần và thậm chí động đất [5]. Hình 3: Những ống trụ rỗng có 4 khe khi nhìn ngang và nhìn xuống [2]. Khi các nhà khoa học đang băn khoăn tìm kiếm giải đáp làm tàng hình con người hay chiếc máy bay thì tại sao ta lại không áp dụng siêu vật liệu che dấu những vật nhỏ hơn? Những nếp nhăn thời gian, tàn nhan, mụn nám trên da mặt có thể tàng hình như có phù phép của ma thuật khi ta thoa lên một lớp kem siêu vật liệu. Nó sẽ cho người quan sát một ảo giác là ánh sáng phản xạ từ làn da trắng muốt, mịn màng… Những ca phẫu thuật căng da kéo mặt tốn kém và các lớp dày son phấn sẽ trở nên lỗi thời. Một niềm hạnh phúc vô biên sẽ được mang tới cho phái đẹp, nếu thời gian không phụ lòng người. Tài liệu tham khảo 1. Trương Văn Tân, "Ý nghĩa vật lý của hiện tượng tàng hình" (mạng erct.com, vietsciences.free.fr, diendan.org). 2. X. Hu, C. T. Chan, K.-M. Ho and J. Zi, Phys. Rev. Lett. 106 (2011) 17450. 3. D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starrr and D. R. Smith, Science 314 (2006) 977. 4. J. Valentine, J. Li, T. Zentgraf, G. Bartal and X. Zhang, Nature Mater. 8 (2009) 568. 5. M. Campbell, "Wave 'dismantler' could shield coast", New Scientist (4 June 2011) 14. Tháng 7, 2011
|
|
|
Post by Can Tho on May 17, 2011 16:48:19 GMT 9
Transistor: Nhân tố của một cuộc cách mạng Vietsciences- Trương Văn Tân 28/03/2011
Tóm tắt:
Transistor là một linh kiện điện tử xuất hiện khắp nơi trong sinh hoạt hằng ngày, ẩn tàng trong các dụng cụ điện tử hiện đại, hành xử như tế bào não kiểm soát từ những hệ thống to lớn điều khiển phi thuyền bay vào vũ trụ, xác định mục tiêu cho tên lửa quân sự đến những chiếc máy tính, điện thoại di động và cái lò vi ba trong nhà bếp. Trong nửa thế kỷ qua transitor được thu nhỏ vài chục triệu lần từ centimét đến nanomét và được cài đặt hàng trăm triệu chiếc trong mạch tích hợp chỉ to vài cm2 mà ta gọi là chip. Transistor càng nhiều, càng thu nhỏ thì dụng cụ điện tử càng gọn nhỏ, đa năng và tốc độ ứng đáp càng nhanh. Bài viết tập trung vào việc giải thích trên quan điểm vật liệu học quá trình chế tạo thu nhỏ của transistor làm từ nguyên tố silicon, những khó khăn vướng mắc và cách giải quyết nhằm hiểu rõ tại sao một vật cực kỳ mong manh nhỏ hơn con vi khuẩn lại có thể thay đổi cuộc sống loài người làm khuynh đảo thế giới. Quá trình thu nhỏ sẽ ngừng ở độ nhỏ tận cùng là phân tử. Nhưng các nhà khoa học và kỹ sư điện tử vẫn tiếp tục cuộc viễn chinh để thỏa mãn sự khao khát tột độ của giới tiêu thụ: tốc độ ứng đáp. 1. Viễn tưởng thành hiện thực Hãy tưởng tượng khi bạn gọi điện đến nhà trẻ, đứa con của bạn sẽ tươi cười xuất hiện trên màn hình của chiếc điện thoại di động. Cũng từ chiếc điện thoại di động, bạn dùng nó như một bật điện từ xa bật cái lò trong bếp để nướng con gà khi bạn vừa xong việc mua sắm ở siêu thị, lùi chiếc xe ra khỏi bãi đậu và chuẩn bị về nhà. Vừa về đến nhà thì con gà gần nướng xong. Hãy tưởng tượng bạn bật nút trong chiếc xe bạn đang lái sang bộ phận "tự động điều khiển" để bạn có chút tự do nhìn vào sổ tay xem lịch trình hoạt động ngày mai. Hãy tưởng tượng bạn muốn xem một chuyện phim. Bạn đặt mua bộ phim qua mạng và chỉ vài giây sau bạn sẽ thấy nó xuất hiện trên màn hình tivi trong nhà. Đây không phải là hoạt cảnh của chuyện khoa học viễn tưởng mà là những kịch bản tương lai được một công ty điện tử Mỹ phác họa cho thấy nhiều ứng dụng trong cuộc sống hằng ngày do những tiến bộ của các dụng cụ điện tử được trang bị bằng linh kiện làm từ chất bán dẫn mà transistor là một linh kiện chính. Ngay ở thời điểm hiện tại, những hoạt động của con người liên quan đến máy tính hay dụng cụ điện tử cũng là một thứ "viễn tưởng" của xã hội 20 năm trước, thậm chí 10 năm trước. Chiếc bàn đánh máy khiêm tốn giờ đây chỉ hiện hữu trong viện bảo tàng, những bộ bách khoa từ điển quý giá đắt tiền mà các gia đình Việt Nam hiếu học mua tặng cho con em trở nên thừa thãi đến mức thư viện địa phương từ chối không nhận. Chiếc máy tính, điện thoại cầm tay, máy ảnh kỹ thuật số, màn hình tivi mỏng với độ phân giải cao và nhiều dụng cụ điện tử khác trở thành những vật không thể thiếu trong một cuộc sống văn minh. Đằng sau những dụng cụ này là một linh kiện điện tử quan trọng gọi là transistor. Thời đại tin học đã cách mạng lề lối làm việc và thống trị cách sống của loài người bao trùm từ một cá nhân, gia đình, đoàn thể đến toàn thế giới cũng nhờ transistor. Với một cái bấm trên bàn phiếm vi tính trong một khoảnh khắc ta có thể tìm được thông tin ta muốn từ internet, những bản nhạc tình của một thời học trò xa xưa hay một bức ảnh của người thân, bè bạn vừa chụp vài giây trước đó gởi đến từ bên kia bờ đại dương. Ba mươi năm trước, con người đã từng mơ ước vừa nói chuyện qua điện thoại vừa nhìn thấy người đối diện. Những người trẻ hay trẻ trong con tim dập dìu qua lại ngưỡng cửa tình yêu muốn những bức thư tình lãng mạn của mình bay tới bay lui trong chớp mắt. Việc đó giờ đây trở nên quá bình thường, ta thoải mái tha hồ nói cười, tha hồ nhìn nhau, tha hồ lãng mạn mà không hề mất một xu. Con người cùng chia sẻ các lượng thông tin khổng lồ, đa dạng, từ tệ nhất đến tốt nhất, trong một thời gian ngắn nhất. Con người đang nhìn, nghe, cảm bằng máy tính và các dụng cụ điện tử. Điều quan trọng hơn cả không ai có thể phủ nhận được là những sản phẩm điện tử càng ngày càng nhẹ, mỏng, gọn, đa năng, giảm giá. Chúng lan tràn khắp mọi ngõ ngách của hành tinh từ rừng sâu hoang dã, sa mạc nóng bức đến các siêu đô thị thế giới. Chúng xuyên thấu khắp mọi hoạt động con người trong giáo dục, giao thông, truyền thông, kinh thương, sản xuất, khoa học, y học, quốc phòng và vui chơi. Thế giới trở nên nhỏ hẹp, gắn bó và thân thiết hơn trong thời đại công nghiệp điện tử. Từ lúc mới ra đời hơn 50 năm trước, transistor to bằng đầu sợi dây giày và bây giờ nhỏ hơn con vi khuẩn. Làm sao một vật tí hon, cực kỳ mong manh này lại có thể tạo nên một cuộc cách mạng công nghiệp vĩ đại làm thay đổi tư duy và khuynh đảo xã hội loài người? Bài viết này nói về những tiến trình thu nhỏ (miniaturization) của transistor và thành quả của nó trong việc phục vụ con người tạo nên thời đại "công nghiệp transistor" độc đáo trong lịch sử khoa học. 2. Ngược dòng thời gian John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley Để tìm hiểu kỷ nguyên điện tử, ta trở lại những năm của thập niên 50 khi chiếc radio vẫn còn là một dụng cụ đắt tiền cho sự tiêu khiển của những gia đình trung lưu ở trên toàn thế giới. Một linh kiện chính trong radio là ống chân không có ba điện cực gọi là triode dùng để khuếch đại những luồng sóng phát ra từ các đài phát thanh. Nhờ đó chúng ta có thể nghe được tiếng nói phát ra dưới dạng sóng từ một nơi xa hàng trăm cây số hay cách nhau cả một đại dương. Vào năm 1947 John Bardeen, Walter Brattain và William Shockley làm việc tại Bell Labs (Mỹ) đã phát minh ra transistor đầu tiên. Ba ông nhanh chóng nối kết những transistor thay thế triode để tạo máy khuếch đại âm thanh (amplifier). Transistor chấm dứt thời đại thống trị của triode trong máy khuếch đại và các dụng cụ điện tử khác. So với ống chân không triode to lớn, hao tốn năng lượng do sự phát nhiệt không cần thiết, transistor là chất rắn, ít hao năng lượng và gọn nhỏ. Sự gọn nhỏ của transistor đầu tiên này đã được Brattain mô tả là không to hơn đầu giây giày mà ta có thể dễ dàng nắm một trăm chiếc trong lòng bàn tay. Bardeen, Brattain và Shockley đoạt giải Nobel Vật lý (1956) cho công trình phát minh transistor. Akio Morita, Eisaku Sato Phát minh ra transistor không mang đến những ứng dụng thực tiễn nếu không có đầu óc kinh doanh của Akio Morita, người sáng lập hãng Sony. Ông Morita sang Mỹ điều đình mua quyền sản xuất transistor từ Bell Labs mà bộ ba Bardeen, Brattain và Shockley nghĩ cái phát minh độc đáo của mình nhiều lắm chỉ có thể ứng dụng trong bộ nghe đặt trong tai của người khiếm thính để khuếch đại tiếng nói. Là một kỹ sư điện tử, Morita nhận thấy ứng dụng to lớn của transistor, một linh kiện chất rắn (solid-state component) gọn nhẹ, chế tạo từ chất bán dẫn có tiềm năng thay thế các ống chân không trong đài radio. Hệ quả là Sony sản xuất đại trà radio transistor gọn nhỏ, dùng ít điện, giá rẻ và khi bật lên sẽ nghe được ngay mà không cần đợi được "hâm nóng" như radio ống chân không. Những chiếc radio ống chân không cồng kềnh dùng điện nhà nay đã được thay thế bằng radio transistor bỏ túi dùng pin. Có lẽ đây là bước đầu tiên trên con đường "thu nhỏ" của các dụng cụ điện tử mà hiện giờ vẫn còn đang tiếp diễn. Sự ra đời của radio transistor đã nâng cao tên tuổi của Sony lên tầm quốc tế. Trong một lần công du tại Pháp, thủ tướng Nhật đương thời Eisaku Sato hãnh diện tặng tổng thống Pháp Charles de Gaulle một chiếc radio transistor "made in Japan" nhưng lại bị người hùng Pháp Quốc còn mang nặng đầu óc thực dân, chưa thấu suốt sức mạnh của transistor mỉa mai gọi ông là "anh lái buôn transistor"! Tại Việt Nam vào những năm đầu của thập niên 60, chiếc radio Sony tràn ngập hang cùng ngõ hẻm, mang đến những niềm vui đơn giản cho người dân từ thành phố đến thôn quê. Sau radio là máy truyền hình transistor mà Sony đặt cái tên là "solid-state" tivi. Transistor không chỉ là một linh kiện khuếch đại dòng điện mà còn là một công tắc (switch) đóng mở dòng điện. Chính tác dụng đóng mở đơn giản này của transistor đã tạo ra một cuộc cách mạng điện tử vô tiền khoáng hậu trong lịch sử xã hội loài người. Trong chức năng này, transistor có tác dụng như một cái van của hệ thống ống dẫn nước. Nước ở đây là dòng điện. Nước chảy trong ống nhờ áp suất cũng như dòng điện lưu động nhờ điện áp. Khi ta mở van thì nước chảy từ nguồn cung cấp đến người sử dụng. Khi ta đóng van, nước ngừng chảy. Cái van hành xử như cái cổng đóng mở. Thiết kế của transistor vì vậy có ba điện cực: một đầu vào gọi là nguồn (source), một đầu ra gọi là máng (như máng nước, drain) và điện cực giữa là cổng (gate) hay là van để điều động dòng điện (Hình 1). Cổng đóng mở được điều động bằng điện áp. Từ lúc phát minh đến ngày nay, dù đã được thu nhỏ hàng triệu lần cấu trúc cơ bản này vẫn không thay đổi. Nếu ta xem trạng thái đóng là biểu hiện số 0 và trạng thái mở là số 1, thì transistor là một linh kiện nhị phân. Hình 1: Cấu trúc của một transistor (Source: nguồn, Drain: máng, Gate: cổng, Gate oxide: chất oxide cho cổng, Body: mặt nền). Vật liệu chính của cổng là lớp phủ kim loại (màu đen trong hình) và oxide trên silicon nên gọi là transistor MOS (metal – oxide – silicon). Ngôn ngữ nhị phân có thể nói là một ngôn ngữ thống nhất cho mọi thông tin của loài người trên quả đất. Nó là ngôn ngữ tin học cực kỳ đơn giản vì chỉ gồm hai số 1 và 0. Thật ra, mã nhị phân xuất hiện vài ngàn năm trước dưới dạng một gạch ngắn và một gạch dài để biểu hiện 64 quẻ trong Kinh Dịch và hơn một thế kỷ trước đã được dùng cho tín hiệu truyền thông Morse bằng dấu chấm và dấu gạch. Ở thời đại tin học, mã nhị phân đạt đến một đỉnh cao chói lọi vì nó được sử dụng cho tất cả mọi thông tin từ phức tạp đến đơn giản; từ chữ viết, con số đến hình ảnh, màu sắc, âm thanh. Tất cả đều có thể được "số hóa" (digitization) bằng chuỗi số 1 và 0. Không có một ngôn ngữ nào đơn giản bằng mã nhị phân. Một bài tân cổ giao duyên "Chuyện tình Lan và Điệp" của soạn giả Viễn Châu, hay bản giao hưởng "Serenade" của Schubert hay một bài viết ở bất cứ ngôn ngữ nào cho đến một bức ảnh nhiều màu đều có thể mã hóa bằng những loạt chuỗi số 1 và 0 (Phụ lục a). Dụng cụ điện tử tinh vi nhất là chiếc máy tính đọc và giải mã những chuỗi số để đưa chúng trở về dạng nguyên thủy, có thể đó là những lời ca thổn thức, một dòng nhạc du dương, một quyển tiểu thuyết nổi tiếng hay bức ảnh tái hiện "Mona Lisa" của Leonardo de Vinci nhiều màu sắc. Đầu não của những dụng cụ điện tử đó là bộ nhớ và bộ vi xử lý (chip) chứa hàng trăm triệu transistor có tác dụng đóng/mở tương ứng với nhị phân 1/0, vừa đọc vừa xử lý theo ý muốn của con người. Sự thu nhỏ của transistor đưa đến việc thiết kế các vi mạch tích hợp (integrated circuit, IC) để chế tạo các dụng cụ điện tử, với kỹ năng cao cấp nhất là việc vận hành của máy tính. Những phương tiện điện tử mà ta có ngày hôm nay như laptop, điện thoại di động, máy ảnh kỹ thuật số, robot công nghệ hay những thiết bị hiện đại cho phòng thí nghiệm, cơ xưởng, bịnh viện sẽ không hiện hữu nếu không có sự thu nhỏ cực kỳ của transistor đưa đến sự phát triển của siêu vi mạch. Độ lớn, độ mỏng và các chức năng đa dạng của các dụng cụ điện tử, quang điện tử tùy thuộc vào sự thu nhỏ của transistor. Khi transistor càng nhỏ, ta có thể gia tăng số transistor làm dụng cụ càng linh hoạt, thời gian để truyền tín hiệu đi từ một linh kiện này đến linh kiện càng ngắn, chức năng càng cao, ứng đáp càng nhanh chóng. Từ những ưu điểm này, sự đòi hỏi thu nhỏ kích thước transistor càng lúc càng mãnh liệt. Vật liệu làm nên transistor là nguyên tố bán dẫn silicon. Silicon là một nguyên tố dồi dào đứng thứ hai sau oxygen trên quả đất. Silicon hiện hữu trong dạng silica (hay silicon dioxide, SiO2) và silica lại là thành phần chính của cát. Thật không quá lời khi nói cách mạng công nghệ điện tử của thế kỷ 20 là một cuộc cách mạng dựa trên "cát"! Có phải chăng tạo hoá đã hết mực ưu ái loài người ban bố cho ta một hành tinh xanh và một nguồn silicon gần như vô tận. Gordon MooreGordon Moore, một trong những nhà sáng lập của công ty Intel (Mỹ), trong một bài viết vào năm 1965 về sự thu nhỏ, đã tiên đoán bằng trực giác là cứ mỗi hai năm mật độ của các transistor được cài vào chip vi tính sẽ tăng gấp đôi nhờ vào kỹ thuật chế biến thu nhỏ và đặc tính của nguyên tố silicon. Chip, còn gọi là mạch tích hợp hay bộ vi xử lý (microprocessor), là bộ phận điều khiển trung tâm của máy vi tính và các dụng cụ điện tử, tương tự như bộ não của con người. Người ta đặt cái tên "Định luật Moore" (Moore's law) cho sự tiên liệu này, dù nó không phải là một định luật dựa theo lý thuyết trong ý nghĩa thông thường. Chip vi tính đầu tiên được Intel tung ra thị trường năm 1971 chỉ có 2.300 transistor. Năm 1990, con số này vượt đến 1 triệu và mười năm sau (2000) 10 triệu trong một chip cùng kích thước. Ngày nay (2010), chip đang được thiết kế để vượt qua bức tường tâm lý chứa 1 tỉ transistor trong một khoảng không gian chỉ to vài cm2. Theo dòng thời gian, định luật Moore vô hình trung trở thành một mẫu mực được các kỹ sư ở Thung lũng Silicon nhắm tới và liên tục hơn 40 năm qua kể từ năm 1965 đã thoả mãn yêu cầu của Moore và sẽ tiếp tục đúng trong vòng 15 năm tới. Trong vòng 40 năm, transistor đã thu nhỏ vài chục triệu lần và giá cả chế tạo một transistor giảm đi một triệu lần. Giá một chiếc máy tính thật ra giảm rất nhiều so với tính năng càng lúc càng phong phú của nó. Nếu giá chiếc xe hơi có độ giảm giá giống như transistor thì ngày hôm nay ta có thể mua một chiếc xe hơi với giá vài xu! Nhưng cuộc vui nào cũng phải có điểm kết thúc. Đặc tính thu nhỏ của silicon sẽ tiến đến một mức giới hạn và dừng lại ở một kích thước nhất định nào đó. 3. Chế tạo mạch tích hợp: phương thức "từ trên xuống" hinh-2 Hình 2: Một phần của máy tính "đời xưa" dùng ống chân không. Máy tính đầu có tên là ENIAC được thiết kế và sử dụng trong Thế chiến thứ 2 chứa hơn 17.000 ống chân không, nặng gần 30 tấn, sử dụng điện lực tương đương với 1.500 bóng đèn 100 watt và chiếm một mặt bằng có diện tích 60 m2 (Hình 2). Một ống chân không có tác dụng tương đương với một transistor. Nếu so sánh với cái laptop hiện đại dùng pin, nặng vài kilogram chỉ chiếm một diện tích vỏn vẹn 0,1 m2 tương đương với một cuốn tạp chí nhưng chứa hàng trăm triệu transistor với một chức năng xử lý vài chục ngàn lần to hơn, thì đây là một cuộc cách mạng khoa học vang dội vượt ra ngoài sự tưởng tượng của con người cách đây nửa thế kỷ. Thay thế đèn diode bằng transistor là bước tiến xa cho việc tiết kiệm năng lượng nhưng việc nối kết hàng ngàn, chục ngàn transistor và các phụ kiện vẫn là một trăn trở cần phải có một phương cách giải quyết hữu hiệu. Trong nhiều năm, transistor được chế tạo từng cái một và được nối kết với các linh kiện khác như điện trở, tụ điện, điện cảm (inductor) để tạo mạch điện cho dụng cụ điện tử tương đối đơn giản như radio, tivi, máy khuếch đại âm thanh (Hình 3) . Nhu cầu chế tạo máy tính và những dụng cụ điện tử cao cấp đòi hỏi mạch điện phức tạp hơn với rất nhiều transistor và các linh kiện điện tử cần được cài đặt gần nhau trong một khoảng không gian nhỏ hẹp hơn. Trước hết transistor và các phụ kiện như điện trở, tụ điện phải được thu nhỏ và kế đến một phương thức mới tạo mạch tích hợp nối kết ít nhất hàng chục ngàn linh kiện cần phải được thực hiện trong khâu sản xuất. Phương pháp cổ điển với những sợi dây đồng lủng lẳng và hàng chục ngàn mối hàn chì làm bằng tay không thể giải quyết được đòi hỏi này. Ta chỉ cần một mối hàn hỏng là toàn bộ mạch điện trở nên vô hiệu. Những kỹ sư điện tử thừa biết hiệu năng của dụng cụ điện tử tăng nhanh với sự gia tăng số linh kiện, nhưng họ ngao ngán trước thủ thuật hàn chì. Sự chán nản được Jack Morton, phó chủ tịch Bell Labs, bộc lộ qua cụm từ "sự tàn bạo của những con số" (tyranny of numbers) trong bài nói chuyện năm 1957. Con số mà công nghiệp điện tử phải đối đầu là con số hàng chục ngàn và như ta sẽ thấy ở phần sau hàng trăm triệu các linh kiện cần phải được nối kết để tạo ra sản phẩm. Hình 3: Những linh kiện điện tử cần phải hàn từng cái một trong mạch điện cổ điển Tưởng chừng như "lực bất tòng tâm", nhưng một đột phá xảy ra. Vào năm 1958, Jack Kilby, một kỹ sư điện tử trẻ của công ty Texas Instrument, được giao cho nhiệm vụ "nhồi nhét" các linh kiện vào một mạch điện cực nhỏ. Ông đưa ra một ý tưởng là thay vì làm từng transistor, có thể đồng thời làm nhiều transistor, điện trở, tụ điện, diode từ cùng một vật liệu bán dẫn germanium và nối kết thành mạch tích hợp. Chỉ trong một thời gian ngắn, vị kỹ sư trẻ này đã tạo ra một kỳ tích; ông thiết kế một vi mạch có kích thước 1,6 x 11 mm (Hình 4) mà bây giờ người ta gọi là chip. Robert Noyce, người sáng lập hãng Intel, làm việc tại một công ty khác đưa ra một mẫu tương tự nhưng dùng chất bán dẫn silicon rẻ hơn và tiện lợi hơn. Kilby và Noyce làm việc độc lập với nhau và Kilby phát biểu phương thức này trước Noyce 6 tháng nhưng cả hai đều vui vẻ cùng nhận là người đồng phát minh. Để chứng tỏ sức mạnh của mạch tích hợp, Kilby phát minh ra chiếc máy tính bỏ túi (calculator). Texas Instruments nơi ông làm việc đã là công ty hàng đầu tung ra thị trường vào thập niên 60 từ những chiếc máy tính bỏ túi cho các phép tính đơn giản đến những chiếc máy có thể lập trình cho các phép tính phức tạp hơn. Phương pháp Kilby-Noyce chế tạo mạch tích hợp là một cột trụ của nền công nghiệp điện tử và cũng là mốc nổi bật trong lịch sử khoa học. Hình 4: (a) Mạch tích hợp nối kết các linh kiện điện tử vào không gian rất nhỏ gọi là chip. (b) Kilby phát minh chip đầu tiên là một mạch điện chứa 1 transitor và các linh kiện khác trên chất bán dẫn germanium có kích thước 1,6 x 11 mm. Sau hơn bốn thập niên Kilby mới đoạt giải Nobel Vật lý (năm 2000) cho phát minh mạch tích hợp nhưng tiếc thay Noyce đã qua đời trước ngày vinh quang này vì giải Nobel không trao cho người quá cố. Sự kiện trao giải Nobel cho việc phát minh transistor và mạch tích hợp đánh giá những thành quả lớn lao của hai phát minh này mang tới và thay đổi cuộc sống loài người trên hành tinh. Nhờ những con chip siêu vi mạch, công nghệ điện tử có doanh thu tăng vọt từ 29 tỉ đô la (1961) đến 1.500 tỉ ngày nay (2005). Không ai sống 100 năm trước có thể tưởng tượng được con cháu của họ ngày nay làm ra chip ở kích cỡ vài cm2 có thể nối kết hàng trăm triệu linh kiện điện tử nhỏ hơn vi khuẩn và đang tiến tới số tỉ, nhẹ nhàng giải quyết vấn nạn "sự tàn bạo của những con số" và tạo ra những ứng dụng đổi đời. Ứng dụng của chip không những trong máy tính mà còn lan tỏa đến dụng cụ điện tử cao cấp, đến công cụ bình thường bao trùm mọi lĩnh vực hoạt động của con người; từ việc khám phá không gian, quân sự, viễn thông, khoa học, giáo dục đến việc trị liệu y học, công nghệ ô tô, nhiếp ảnh. Xuất phát từ phương pháp chế tạo chip của Kilby và Joyce, hơn nửa thế kỷ qua công nghệ chế tạo chip dùng phương pháp khắc li-tô (lithography) được phát triển càng lúc càng tinh vi và phức tạp. Từ "li-tô" được vay mượn từ lĩnh vực nghệ thuật tạo ảnh trên đá. Li-tô trong công nghiệp điện tử cũng là việc "tạo ảnh" các mạch tích hợp chứa transistor và đường dẫn điện trên mảng silicon bằng các phương pháp quang học, hóa học và nhiệt học. Vì các loại tia quang học được tận dụng triệt để cho việc "chạm khắc" trên mảng silicon (silicon wafer) nên còn gọi là li-tô quang (Hình 5). Nhu cầu thu nhỏ của transistor đã thúc đẩy những bước tiến của kỹ thuật li-tô quang, làm nên cuộc cách mạng công nghệ chưa từng thấy trong lịch sử khoa học. Những mạch tích hợp cực nhỏ được thực hiện trên một mảng silicon (wafer) cực kỳ tinh khiết. Quá trình chế tạo chip từ việc tinh chế nguyên liệu silicon, cắt silicon thành mảng, chạm khắc trên mảng silicon để tạo ra mạch tích hợp được thực hiện dưới những điều kiện gần như tuyệt đối. Silicon cần phải có độ thuần khiết 99.999999999 %, 11 con số 9, nghĩa là cứ 1 tỉ nguyên tử silicon thì mới có 1 nguyên tử tạp chất lẫn vào. Nói một cách tượng hình hơn, hãy tưởng tượng dân số một nước to lớn như Ấn Độ hay Trung Quốc vào khoảng 1 tỉ người thì chỉ có duy nhất một người nước ngoài lọt vào! Silicon được tinh chế từ silica (SiO2) là một hợp chất chính trong cát. Cho dù silicon là một nguyên tố dồi dào thứ hai trên hành tinh này nhưng tinh luyện silicon nguyên chất đến mức độ gần như tuyệt đối quả thật tốn kém. Quá trình làm chip từ khâu tinh luyện silicon đến thành phẩm hoàn toàn được thực hiện trong phòng siêu sạch (cleanroom) trong đó bụi bậm được chế ngự tối đa. Khi kích cỡ của transistor, dây dẫn điện của mạch tích hợp tiến đến cấp nanomét, tạp chất và một vài hạt bụi cũng có thể gây trục trặc cho việc vận hành máy tính hay dụng cụ điện tử. Trong phòng siêu sạch những hạt bụi có kích cỡ 0,1 µm hay lớn hơn chỉ có thể có nhiều nhất là 10 hạt trong 1 m3 không khí. Độ lớn 0,1 µm tương đương với một con vi khuẩn hay hạt khói thuốc lá. Hình 5: Phương pháp li-tô quang (Nguồn: Wikipedia). Mạch tích hợp có thể hình dung như một cái bánh kẹp nhiều lớp mà lớp cơ bản đầu tiên là mảng silicon nguyên chất. Tùy theo thiết kế những lớp kế tiếp có thể là lớp silicon dioxide, nguyên liệu cho cổng transistor, lớp kim loại đồng để làm đường dẫn điện giữa các transistor hay lớp phủ polymer (gọi là photoresist) cho việc "chạm khắc". Những lớp này được "chạm khắc" theo bảng vẽ thiết kế mạch được thực hiện bằng cách chiếu tia quang học qua mạng che (mask) và kính hội tụ (Hình 5). Ảnh hội tụ là ảnh thu nhỏ vài ngàn lần những chi tiết của mạng che. Những vùng bị tia quang học chiếu sẽ bị phân hóa và được loại ra bằng cách rửa với hóa chất thích hợp. Quá trình tạo lớp, chiếu tia quang học, tẩy rửa những phần dư thừa với hóa chất được lập lại nhiều lần cho đến khi các mạch tích hợp lập thể chứa hàng chục, trăm triệu hay tỉ transistor được thành hình trên lớp nền silicon. Người ta cắt những mạch tích hợp này và bao bọc bằng một lớp phủ gốm sứ hay plastic cứng để hoàn thành chip cho các ứng dụng khác nhau (Hình 6). Hình 6: Phần ở giữa là chip vi tính (bộ vi xử lý) to vài cm2. Xung quanh chip là những điện cực bằng vàng để nối kết với những phần khác trong máy tính (Nguồn: Wikipedia). Vài mươi năm trước khi transistor và các đường dây nối còn ở cấp micromét, người ta sử dụng ánh sáng trắng (bước sóng 300 - 700 nm) cho phương pháp li-tô quang. Khi nhu cầu thu nhỏ khe khắt hơn thì tia tử ngoại với bước sóng nhỏ hơn 300 nm được sử dụng. Nhiễu xạ là một trong những bản chất của tia quang học. Nó gây ra sự nhòe mờ khi chi tiết của ảnh tiến đến kích cỡ của bước sóng; ta không thể dùng tia quang học để tạo ảnh hội tụ hay khắc những chi tiết nhỏ hơn bước sóng. Vì vậy, mỗi bước thu nhỏ đòi hỏi nhiều đầu tư tốn kém vào nghiên cứu để cải thiện của các điều kiện chế tác, thay đổi thiết bị và lựa chọn tia quang học thích hợp với bước sóng nhỏ hơn cho việc chạm khắc. Hiện tại tia cực tử ngoại (extreme ultraviolet) với bước sóng 13,5 nm được sử dụng để chế tạo mạchtích hợp chứa transistor vài mươi nanomét. Khi sự thu nhỏ vượt qua mốc 10 nm, tia X, tia ion hay tia electron với bước sóng vài nanomét trở nên cần thiết, dù đây là những tia năng lượng cao đòi hỏi những thiết bị với độ an toàn tuyệt đối. Ngày nay, phương pháp li-tô quang là một bộ phận quan trọng bậc nhất của nền công nghiệp điện tử và cũng là một bộ môn liên ngành trong nghiên cứu cơ bản hàn lâm. Có thể nói không có li-tô quang thì không có sự thu nhỏ transistor, không có mạch tích hợp và công nghiệp điện tử hiện đại sẽ không hiện hữu. Phương pháp li-tô quang trong nửa thế kỷ qua là một quy trình tiêu biểu của phương pháp "từ trên xuống". Nghĩa là theo dòng thời gian vật được chế tạo càng lúc càng được thu nhỏ.
|
|
|
Post by Can Tho on May 17, 2011 16:55:34 GMT 9
4. Một bước ngoặt quan trọng Phát nhiệt từ các mạch tích hợp là một vấn đề quan trọng hàng đầu của các kỹ sư thiết kế. Thoạt nghe ta tưởng như chuyện đơn thuần. Nếu có phát nhiệt thì ta giảm nhiệt. Nhưng, giảm nhiệt trong một siêu vi mạch không đơn giản và nếu việc giảm nhiệt được diễn ra thuận lợi thì có lẽ chiếc máy tính ngày nay đã tiến rất xa và tinh vi hơn chiếc máy tính chúng ta đang sử dụng. Trong mạch tích hợp dày đặc những transistor cực nhỏ sự phát nhiệt đưa đến đến những bất lợi trong việc vận hành, giảm hiệu suất hoạt động của mạch và tiêu hao nhiều năng lượng. Các chuyên gia dự đoán nếu số transistor trong một chip và tốc độ xử lý gia tăng nhưng không có một biện pháp giảm nhiệt thỏa đáng thì chip có thể dễ dàng tiêu hao 10 kW năng lượng và phát nhiệt lượng 1000 W/cm2, tương đương với 10 bóng đèn 100 W từ một khoảnh diện tích 1 cm2 [1]. Sự tăng nhiệt nếu không được kiềm chế cứ thế gia tăng (thermal runaway) dễ dàng đưa đến việc cháy máy. Để đối phó, họ dùng tất cả mọi phương tiện từ công nghệ "thấp" như chiếc quạt gió đến công nghệ cao như cải thiện vật liệu transitor và cấu trúc mạch tích hợp như được đề cập ở phần sau. Giải quyết vấn đề phát nhiệt cấp bách và quan trọng đến mức việc chế tạo những chiếc quạt gió, bộ phận tiêu nhiệt (heat sink) hay làm lạnh (refrigerator) bằng hiệu ứng nhiệt điện (thermoelectric effect) để phát tán nhiệt từ chip của máy vi tính hoặc laptop trở thành một ngành quan trọng trong công nghiệp điện tử. Tuy nhiên, những công cụ này chỉ có thể làm nguội nhiều lắm một nguồn nhiệt 100 watt. Vì vậy, quạt gió và bộ tiêu nhiệt không phải là cách giải quyết triệt để. Sự phát nhiệt phần lớn xảy ra tại cổng transistor vì lớp cách điện SiO2 quá mỏng gây ra rò điện. Silicon dioxide (SiO2) là chất oxide truyền thống làm cổng transistor. Silicon là chất bán dẫn nhưng SiO2 là chất cách điện. Bằng sự thông minh của mình con người tận dụng sự ưu đãi của thiên nhiên một cách hoàn hảo. Thiên nhiên đã cho ta silicon, bây giờ ta cần một lớp mỏng chất cách điện thì tại sao lại không lợi dụng sự cách điện của SiO2. Ta cần lớp SiO2 cách điện để cách ly cổng ra ngoài ảnh hưởng của hai điện cực máng và nguồn. Đây là một yêu cầu tất yếu nên từ nhiều năm qua người ta nghiên cứu và hiểu rất rõ lý tính của lớp phủ cực mỏng SiO2 ở tận kích thước Angstrom (hay là 1/10 nanomét = 10-10 m) [2]. Việc tạo ra một lớp SiO2 trên mặt silicon có kích thước vài nanomét bằng cách oxid hóa silicon ở nhiệt độ cao là một khâu quan trọng trong phương pháp li-tô quang. Ta chỉ cần xử lý nhiệt silicon trong môi trường oxygen thì một lớp SiO2 mịn màng sẽ mọc lên. Bằng phương pháp li-tô, ta tạo ra những mô dạng SiO2 thích hợp bằng cách dùng acid để tẩy đi những phần không cần thiết. Sự đóng góp của lớp SiO2 cũng quan trọng không kém silicon trong công nghiệp điện tử nhưng sự thu nhỏ transistor khiến cho lớp SiO2 phải làm mỏng hơn và đây là một trong những nguyên nhân rò điện gây nhiệt làm tiêu hao năng lượng. Các nhà nghiên cứu nhắm vào việc cải thiện vật liệu để giải quyết tận gốc vấn đề phát nhiệt và rò điện. Để chế ngự việc phát nhiệt, người ta phải thay thế SiO2 bằng một loại oxide khác có hằng số điện môi (ký hiệu k) cao, còn gọi là chất cách điện có độ k cao (high-k dielectric). Từ thập niên 90 của thế kỷ trước, các kỹ sư thiết kế transistor và các nhà vật liệu học đã nghiên cứu nhiều loại oxide có hằng số điện môi cao để thay thế SiO2 [2]. Cuối cùng, hai công ty Intel và IBM đã phá tung những trói buộc của SiO2 bằng cách chọn hafnium dioxide (HfO2) làm vật liệu cho cổng transistor, và vào năm 2007 lần đầu tiên Intel tung ra thị trường chip Penryn to 45 nm chứa 410 triệu transistor trên một diện tích vài cm2. Theo luồng chế biến này, transistor sẽ tiến đến 16 nm và chip sẽ vượt qua 1 tỉ chiếc trong cùng một diện tích vào năm 2018. Hằng số điện môi cao làm cho transistor duy trì được cường độ dòng điện cần thiết đi qua transistor đồng thời ngăn chặn được sự rò điện và nhờ vậy giảm thiểu sự phát nhiệt của chip (Phụ lục b). SiO2 đã phục vụ con người gần nửa thế kỷ và chấm dứt vai trò lịch sử của mình. HfO2 là một bước ngoặt quan trọng thay thế vai trò của SiO2 tiếp tục cuộc cách mạng thu nhỏ trong đó Penryn mở ra một kỷ nguyên mới của chip vi tính. Định luật Moore sẽ tiếp tục duy trì trong một thập niên kế tiếp. 5. Đâu là độ nhỏ cuối cùng? Tính thực dụng của các dụng cụ điện tử như giới tiêu thụ đã nhận thấy từ nhiều năm qua nằm trong tiêu chí "nhỏ hơn, nhanh hơn, rẻ hơn". Hằng năm, các hiệp hội công nghệ điện tử của Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Đài Loan và châu Âu cùng chung đề xuất báo cáo mang tên là "International Technology Roadmap for Semiconductors" (ITRS, Bản đồ hướng đi của công nghệ quốc tế về chất bán dẫn) nói về những thành quả công nghệ, thương phẩm, những thách thức và dự đoán hướng đi tương lai của chất bán dẫn. Báo cáo tập trung vào sự cải biến và lộ trình tương lai của chip vi tính vì máy tính là một dụng cụ có sự đòi hỏi cao nhất về chức năng và tốc độ xử lý dữ liệu. Mỗi bước thu nhỏ của transistor đều ảnh hưởng sâu sắc đến những dụng cụ điện tử dẫn đến việc sản xuất phiên bản của đời kế tiếp. Đằng sau sự phát triển này là những khó khăn nằm trong dự đoán cũng như các thách thức xuất hiện ngoài dự đoán mà ngành công nghệ điện tử đã phải đối đầu hơn 40 năm qua. Vào những năm 70 của thế kỷ trước, các chuyên gia cho rằng transitor không thể chế tạo nhỏ hơn 1 μm (= 1.000 nm) do sự hạn chế của phương thức chế tạo. Trong chiếc máy vi tinh gia dụng đầu tiên được bán trên thị trường năm 1971 là chip Intel 4004 chứa 2.300 transistor và mỗi transistor có độ lớn 10 µm. Phương thức li-tô được cải thiện và giới hạn độ nhỏ được đẩy lùi xuống 0.5 μm (= 500 nm) ở thập niên 80. Kinh nghiệm cũng cho thấy transistor không thể nhỏ hơn 250 nm vì sự rò điện sẽ xảy ra trong transistor. Tuy nhiên, phương pháp li-tô chế tạo transistor lại được phát triển và giới hạn độ nhỏ trong những năm đầu của thập niên 90 được đẩy xuống đến mức 100 nm [1]. Những rào cản kỹ thuật lần lượt bị chinh phục bởi sự kiên trì và thông minh của các kỹ sư và nhà khoa học. Lý thuyết kinh điển phải cải biên và các chuyên gia tiếp tục hoàn thiện các phương thức chế tạo cũng như tìm kiếm vật liệu mới cho transitor nhằm rút nhỏ hơn nữa kích cỡ của transistor. Theo sự dự đoán của ITRS dựa trên các công trình nghiên cứu khoa học và tiến bộ trong quy trình sản xuất, kích cỡ của transistor sẽ là 7 nm vào năm 2018. Kích cỡ này theo đúng định luật Moore. Như thế, độ nhỏ nào sẽ là tận cùng của transistor? Phân tử là phần nhỏ nhất của vật chất, vì vậy độ nhỏ tận cùng sẽ là kích cỡ của một phân tử. Nói khác hơn phân tử sẽ được sử dụng như cổng transistor có thể cho đóng hoặc mở dòng điện tùy vào điện áp. Độ lớn trung bình của một nguyên tử là 0,1 nm (hay là 1 Angstrom). Một phân tử là cấu tạo của ít nhất 2 nguyên tử, như vậy trên lý thuyết người ta có thể thiết kế một transistor có độ nhỏ tận cùng là 0,2 nm. Nếu dùng tinh thể silicon thì độ tận cùng sẽ là 0,3 nm. Năm 2003, các nhà khoa học của công ty NEC (Nhật Bản) đã đạt đến transistor 5 nm lớn hơn độ tận cùng 17 lần [1,3] . Hơn nửa thế kỷ qua, transistor được thu nhỏ hàng chục triệu lần từ centimet đến nanomét, liệu các nhà khoa học có thể tiếp tục thu nhỏ thêm 17 lần tiến đến kích cỡ một phân tử? Hơn nửa thế kỷ qua, việc thu nhỏ transistor đã diễn ra khá thuận lợi vì chúng ta vẫn còn nằm trong phạm vi các quy luật của thế giới vĩ mô mà các kỹ sư điện tử đã tận dụng chúng một cách hiệu quả trong việc triển khai phương thức sản xuất. Thế giới vi mô bị chi phối bởi cơ học lượng tử với những quy luật phản trực giác mà ta không thấy ở thế giới vĩ mô đời thường. Chẳng hạn, tính chất nhị nguyên vừa sóng vừa hạt của vật chất, hay nguyên lý bất định của Heisenberg sẽ là những điều kiện quyết định cho việc thiết kế một transistor dần dần tiến về kích cỡ một phân tử. Sự di chuyển của dòng điện, hay nói khác hơn dòng chảy của electron trong một mạch điện là một hiện tượng vĩ mô giống như dòng nước như đã so sánh ở trên. Electron trong ý nghĩa này là hạt. Như dòng nước, khi có một bức tường chắn ngang dòng electron sẽ bị ngăn lại. Cái cổng transistor là một bức tường đóng mở đối vớì dòng electron. Tuy nhiên, khi cái cổng trở nên quá nhỏ hẹp electron không còn hành xử như hạt mà sẽ là sóng thoải mái đi xuyên qua cổng như một bóng ma. Nhà vật lý Pháp de Broglie cho biết đối với một vật chất cực nhỏ như electron, khi bị đặt trong một không gian cực nhỏ thì đặc tính sóng sẽ hiện rõ và là tác nhân chi phối trong mọi tình huống. Như vậy, cổng đóng nhưng electron vẫn đi qua dưới dạng sóng, dòng điện vẫn ngang nhiên chảy, ta bị rò điện bởi tác động lượng tử, như một vòi nước bị rỉ, tác dụng đóng mở không còn hiệu nghiệm, transistor không còn là transistor. Bước sóng của một electron di chuyển giữa điện áp 1 -2 V trong một transistor là 1 nm (Phụ lục c). Vì vậy kích cỡ của transistor phải lớn hơn 1 nm, nếu nhỏ hơn electron sẽ hành xử như sóng đi xuyên qua cổng dù cổng đóng hay mở. Trong cuộc chinh phục đỉnh cao "thu nhỏ" của công nghiệp điện tử, các nhà nghiên cứu tìm thấy vận may với chất bán dẫn silicon vô cùng hào phóng. Họ cũng đã và đang tạo ra những bước đột phá kết hợp kiến thức đa ngành để hoàn thiện phương pháp khắc li-tô. Nhưng ta lại dễ dàng quên đi chức năng của yếu tố thứ ba nhưng rất quan trọng; đó là độ nhỏ của electron. Electron chạy dọc theo những đường dẫn điện trong chip như những chiếc xe ngược xuôi trên đường phố của một thành phố lớn với nhiều ngõ ngách phức tạp. Electron là một nhân tố kiểm soát các chức năng của linh kiện điện tử, sự vận hành của bộ nhớ và bộ xử lý của máy tính. Sự thu nhỏ được thực hiện suôn sẻ là nhờ vào kích thước cực kỳ nhỏ của electron. Đường kính của electron là 5,6 x 10-15 m, một phần triệu tỉ lần của mét. Giả dụ ta có thể thu nhỏ transistor, đường dây tải đến 1 nm; kích cỡ này vẫn còn to hơn electron 1 triệu lần. Nhờ vậy, ta có thể thiết kế mọi linh kiện, đường dây tải đến cấp 1 nanomét, tức là tương đương với độ lớn của 10 nguyên tử, nhưng vẫn còn chỗ rộng rãi cho electron dập dìu qua lại. Tuy nhiên, như đã đề cập ở trên dòng electron đó khi di chuyển không xuôi chèo mát mái mà thường va chạm vào nguyên tử của môi trường xung quanh. Trong sợi dây đồng, electron chạm vào nguyên tử đồng và trong transistor nó cũng chạm vào mạng lưới của tinh thể silicon. Sự va chạm này sinh nhiệt. Và khi khoảng không gian di động càng bị thu hẹp theo sự thu nhỏ thì va chạm càng nhiều sự phát nhiệt càng to và cuối cùng mạch điện sẽ bị phá vỡ. Chiếc quạt gió, bộ phận làm lạnh hay vật liệu có hằng số điện môi cao chỉ mang tới thị trường điện tử một biện pháp trị liệu nhất thời. Trên con đường cải thiện hiệu năng của chip, đây chỉ là những trạm dừng chân và chưa phải là tột đỉnh của vinh quang. Như vậy, nếu ta phủi tay vứt bỏ những sợi dây đồng, transistor, và cả electron thì sự phát nhiệt không còn là nỗi lo âu và ta có thể thiết kế một máy tính với tốc độ ứng đáp và xử lý siêu việt. Có thật sự khả thi không? Ta hãy nhìn vào tương lai... 6. …Và tương lai Chiếc transistor mà hơn nửa thế kỷ trước kia đã được Brattain mô tả là không to hơn đầu dây giày và ta có thể dễ dàng nắm hốt vài trăm chiếc trong lòng bàn tay giờ đây đã biến mất trước con mắt trần tục của ta vì quá nhỏ. Và nếu ta có thể nắm được chúng trong lòng bàn tay thì cũng có thể vài tỉ chiếc. Cũng như Thomas Edison phát minh ra bóng đèn điện, có lẽ không quá lời khi nói Bardeen – Brattain – Shockley và Kilby – Noyce là những nhân vật kiệt xuất rất hiếm hoi trong lịch sử khoa học làm nên một cuộc cách mạng công nghệ để lại một dấu ấn sâu sắc có ảnh hưởng lâu dài đến bộ mặt của xã hội loài người. Nhưng đây là lịch sử và xã hội hôm nay có những đòi hỏi cao hơn. "Tốc độ xử lý" là một đòi hỏi liên tục như con hổ háo ăn của giới tiêu thụ và cũng là miếng mồi ngon của người sản xuất. Chip hiện nay có tốc độ xử lý hằng trăm triệu hay hằng tỉ mệnh lệnh (instruction) trong một giây. Nó liên quan đến tốc độ chuyển hoán nhị phân giữa hai số 1 và 0 của transistor, hay nói một cách cơ bản hơn là vận tốc di chuyển của electron trong đường dây dẫn và transistor. Transitor silicon đã đụng vào một giới hạn vật lý và vận tốc electron trong kim loại chỉ có thể đạt đến 1.400 km/s (Phụ lục d). Cực nhanh nhưng người ta muốn nhanh hơn nữa. Có phải đã đến lúc cặp bài trùng "silicon và electron" hoàn thành nhiệm vụ của mình và phải rũ áo từ quan? Dù đứng trước những đòi hỏi về tốc độ và thu nhỏ, nhiều chuyên gia dự đoán rằng cặp "silicon và electron" vẫn thống trị các máy điện tử trong vài thập niên tới. Nhìn vào bảng phân loại tuần hoàn có lẽ không có nguyên tố nào hào phóng hơn silicon trước nhu cầu của con người và đổi lại nó cũng được loài người dành cho sự ưu ái hơn nửa thế kỷ qua. Phải nói là silicon là một vật liệu nano chân chính và phương pháp li-tô chế tạo mạch tích hợp là một công nghệ nano tiêu biểu. Tri thức về transistor silicon và li-tô trở thành kho tàng vô giá cho công nghiệp điện tử mà chúng ta không thể nào một sớm một chiều phũ phàng vứt nó ra đi! Tham vọng về "tốc độ" của con người quả là vô hạn nhưng nó phải dừng ở một con số tuyệt đối. Con số này chẳng qua là vận tốc ánh sáng (300.000 km/s). Vận tốc electron trong transistor (1.400 km/s) chỉ bằng 0,5 % vận tốc ánh sáng. Như thế, tại sao ta không thay thế electron bằng photon (quang tử) cho việc xử lý dữ liệu trong máy tính? Vấn đề thực sự không đơn giản. Photon là phương tiện hữu hiệu để chuyển tải thông tin như ta thấy những hệ thống cáp quang dài hàng chục ngàn cây số xuyên qua lòng đại dương phục vụ ngành viễn thông, trong khi electron là phương tiện điều khiển và xử lý thông tin của bộ nhớ và bộ vi xử lý. Trong ý nghĩa này photon là nô lệ và electron là vua. Có một ngày nào nô lệ thành vua và vua hiện tại sẽ chìm vào lịch sử? Ngày đó sẽ không còn transistor và máy tính điện tử hiện tại sẽ trở nên máy tính quang tử học. Từ đây đến tương lai quang tử học đầy thách thức là một thời kỳ chuyển tiếp đang xảy ra trước mắt với những nghiên cứu về "quang tử học silicon" (silicon photonics) nhiều sôi động và thú vị [4-5]. Các nhà khoa học đang tận dụng phương pháp li-tô để chế tạo chip quang học mà vật liệu chính vẫn là người hùng silicon hào phóng và dễ tính. Ta sẽ thấy bộ ba "silicon - electron - photon" xuất hiện trong máy tính tương lai mà chức năng của photon sẽ là sứ giả truyền dữ liệu trong các vi mạch, những đường dây đồng dẫn điện rồi đây sẽ được thay thế bằng sợi quang đẩy lùi vào bóng tối phần nào những ray rứt gây ra bởi electron và sự phát nhiệt [6]. Trong một nỗ lực khác, người ta đang nghiên cứu các loại vật liệu hữu cơ bán dẫn như polymer dẫn điện, ống than nano và graphene với một ước mơ là chúng có thể thay thế silicon trong transistor có một độ nhỏ vượt qua mức giới hạn của silicon. Và xa xa trên đường chân trời nghiên cứu khoa học, vi tính lượng tử (quantum computing) đang le lói như những tia nắng bình minh xuyên thủng màn đêm mở đầu một ngày mới dựa trên những nguyên tắc kỳ bí gần như ma quái của cơ học lượng tử. Tất cả mọi nỗ lực nghiên cứu này đều nhắm đến việc giải quyết cái khát vọng tột cùng của con người: tốc độ. Trương Văn Tân March 2011 Phụ lục: a. Ngôn ngữ nhị phân Trong ngôn ngữ nhị phân 1/0, một số 0 hay số 1 là một bit. Số thập phân từ 0 đến 9 có thể được biểu hiện 4 bit cho mỗi số như sau: 0 --- 0000 1 --- 0001 2 --- 0010 3 --- 0011 4 --- 0100 5 --- 0101 6 --- 0110 7 --- 0111 8 --- 1000 9 --- 1001 Mẫu tự La-tinh --- Mỗi chữ 8 bit: a --- 01100001 b --- 01100010 c --- 01100011 d --- 01100100 e --- 01100101 f --- 01100110 Chữ Hán, thí dụ như chữ 文 (Văn) và 字 (Tự) có dạng nhị phân (16 bit cho mỗi chữ) là: 文 = 0110010110000111, 字 = 0101101101010111 Như vậy, một quyển sách nhỏ có 200.000 mẫu tự La-tinh thì khoảng 1,6 triệu bit (1,6 megabit) hay 200.000 chữ Hán là 3,2 triệu bit (3,2 megabit). Một bức ảnh kỹ thuật số tùy độ phân giải có thể từ vài trăm ngàn đến vài triệu bit. b. Hằng số điện môi của lớp oxide Ta có thể xem lớp silicon oxide của transistor như một tụ điện có điện dung C là, C= kεoA/t (1) k là hằng số điện môi, εo là độ điện thẩm của chân không (8,85 x 10-12 F/m), A là diện tích của lớp cách điện, t là độ dày. Như phương trình (1) biểu hiện, C gia tăng khi hằng số điện môi k tăng và khi độ dày t giảm. C cần phải duy trì ở một độ tối thiểu để transistor có thể hoạt động suôn sẻ. Mật độ tụ điện C/A cần thiết cho transistor là: 34,5 x 10-3 F/m2. Từ phương trình (1), t sẽ là, t = kεo(A/C) (2) Khi C/A = 34,5 x 10-3 F/m2 và k của silicon là 3,9, độ dày t là 1 nm. Độ dày này quá mỏng và sự rò điện xảy ra. Khi dùng HfO2 với k =16, độ dày t = 4 nm. Như vậy, t gia tăng 4 lần và sự rò điện giảm đi 100 lần. c. Bước sóng của điện tử Để một điện tử di chuyển trong điện áp 1 V, ta cần năng lượng E là, E = 1 eV = 1,602 x 10-19 J (3) Vận tốc v được tính từ E = 1/2 (mv2) (4) Khối lượng m của electron là 9,1 x 10-28 g. Như vậy, v= 5,93 x 105 m/s. Từ công thức de Broglie, λ = h/mv = 1,2 x 10-9 m (5) d. Vận tốc của một electron Vận tốc của một electron có độ di động µ trong một điện trường E được biểu hiện như sau, v = µE (6) µ = 1.400 cm2/Vs trong silicon. Khi một transistor có chiều dài ℓ = 100 nm bị đặt dưới điện áp V = 1 V, ta có E = V/ℓ. Như vậy, v sẽ là, v = 1.400 km/s (7) Thật ra, con số này chỉ cho ta một khái niệm tổng quát vì sự di động và vận tốc của electron trong mạch tích hợp khá phức tạp. Tài liệu tham khảo 1. H. Iwai, IDEM Tech. Digest (2004) 11. 2. G. D. Wilk, R. M. Wallace and J. M. Anthony, J. Appl. Phys., 89 (2001) 5243. 3. H. Wong and H. Iwai, Physics Today (September 2005) 40. 4. X. Chen, C. Li and H. K. Tsang, NPG Asia Materials, 3 (2011) 34. 5. G. T. Reed, G. Mashanovich, F. Ỵ Gardes and D. J. Thomson, Nature Photonics, 4 (2010) 518. 6. M. Paniccia, Nature Photonics, 4 (2010) 498. March 2011 (Đã đăng trên Diễn Đàn) Một kỹ thuật viên đổi một trong số 17000 ống chân không của ENIAC ! Hai nữ lập trình viên đang nối dây cho "chương trình" trên ENIAC. Xong rồi! "Chương trình" đã được nối xong Phòng máy
|
|
|
Post by Can Tho on Aug 27, 2011 9:16:54 GMT 9
Phát minh hợp kim siêu đàn hồi mớiSuu TamCác nhà khoa học Nhật Bản đã phát triển thành công một loại hợp kim siêu đàn hồi mới. Loại vật liệu này có thể được sử dụng trong các tòa nhà cao tầng nhằm giảm tác động khi động đất xảy ra.
Ảnh mang tính minh họa Hãng thông tấn Reuters đưa tin, các nhà khoa học thuộc trường Đại học Tohoku (Nhật Bản) đã cho thêm một lượng nhỏ chất niken vào trong hợp kim sắt để tạo ra một loại hợp kim siêu đàn hồi. Loại vật liệu mới này có thể phục hồi hình dạng gốc sau khi được nung ở nhiệt độ từ 196 - 240 độ C. Theo tiến sĩ Toshihiro Omori - người đứng đầu nghiên cứu, loại vật liệu mới có độ co giãn tốt hơn nhiều so với các loại hợp kim siêu đàn hồi trước đây, vốn không thể phục hồi hình dạng gốc sau khi chịu nhiệt độ dưới -20 độ C hoặc trên 80 độ C. “Vật liệu hợp kim siêu đàn hồi của chúng tôi rất nhạy cảm với nhiệt độ. Đây là đặc tính rất quan trọng đối với một loại vật liệu khi nhiệt độ thay đổi. Một ưu điểm nữa của loại vật liệu mới này là giá thành thấp. Vì thế, nó có thể được sử dụng cho những ứng dụng lớn”, tiến sĩ Toshihiro Omori cho biết. Loại hợp kim siêu đàn hồi mới có thể được sử dụng trong các môi trường có sự dao động nhiệt độ lớn như các trục nối hay cần điều khiển trong ô tô, máy bay, tàu vũ trụ,... Ngoài ra, nó cũng có thể được dùng để giảm sự rung lắc cho các nhà cao tầng khi xảy ra động đất. Châu Á là khu vực đi đầu trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học vật liệu, đặc biệt là Trung Quốc. Khoảng 1,1 triệu công trình nghiên cứu liên quan tới lĩnh vực khoa học vật liệu đã được các nhà khoa học đến từ châu Á công bố mỗi năm trong những năm gần đây. Trong khi đó, các nhà khoa học đến từ Mỹ chỉ có 38.189 công trình nghiên cứu về khoa học vật liệu được công bố hàng năm. Theo VietNamNet *************************************** GrapheneCác nhà khoa học và công nghệ Mỹ đã phát hiện ứng dụng không có giới hạn của loại vật liệu mới graphene – một vật liệu công nghệ cao cứng hơn thép và nhẹ hơn cả lông chim – trong các lĩnh vực của cuộc sống con người và dự báo vật liệu mới này sẽ tác động rất lớn đến nền kinh tế Mỹ, thậm chí có thể làm thay đổi cả thế giới. Graphene được tạo thành từ một nguyên tử carbon được 2 nhà khoa học người Nga Andre Geim và Konstantin Novoselov phát hiện 7 năm trước và đã đem lại cho 2 nhà khoa học này Giải thưởng Nobel Vật lý năm 2010. Andre Geim and Konstantin Novoselov Các nhà khoa học và công nghệ Mỹ dự báo graphene sẽ tạo ra cuộc cách mạng trong thông tin không dây, đặc biệt con người có thể phóng vệ tinh với kích thước bằng tòa nhà nhiều tầng nhưng trọng lượng chưa bằng trọng lượng của miếng thịt nướng. Người ta có thể tải về điện thoại thông minh một băng hình có độ phân giải cao chỉ trong thời gian tính bằng nano giây. Hãng sản xuất điện thoại thông minh sớm khai thác tính năng ưu việt của grephene sẽ chiến thắng trong cuộc cạnh tranh khốc liệt trên thị trường điện thoại thông minh thế giới. Trong y tế, nhờ grephene, các bác sĩ có thể sử dụng các loại dược phẩm mới với liều lượng cao để tiêu diệt tế bào ung thư nhưng không gây hại những tế bào lành. Graphene có thể sử dụng chế tạo máu nhân tạo, giúp con người tránh được nguy cơ bị truyền máu nhiễm virus hoặc không phải mất nhiều thời gian tìm kiếm các loại máu hiếm. Graphene có thể được sử dụng làm thuốc chữa bách bệnh cho người già. Nhờ nghiên cứu mới của các nhà khoa học Đại học Wayne State thuộc bang Michigan (Mỹ), các bác sĩ có thể điều trị hiệu quả bệnh Alzheimer bằng việc cấy các điện cực graphene vào não người bệnh. Các điện cực graphene có tuổi thọ tới 5 năm thay thế các điện cực chỉ có tuổi thọ tính bằng tháng như hiện nay, góp phần cải thiện cuộc sống của nhiều triệu người bệnh trên thế giới. Các điện cực graphene cũng có thể được sử dụng điều trị hiệu quả những tổn thương cột sống và khiếm thị. Chỉ mới 3 tuần trước đây, các nhà khoa học Mỹ đã phát hiện khả năng sử dụng graphene để kích thích sự phát triển của các mô trong cơ thể người. Ứng dụng này của graphene mở ra khả năng chữa khỏi các khuyết tật bẩm sinh về tim, căn bệnh đã được nghiên cứu điều trị thử nghiệm hơn 100 năm qua nhưng chưa thành công. Trong lĩnh vực máy tính, nghiên cứu của các nhà khoa học Viện Rensselaer ở bang New York đã loại bỏ được trở ngại lớn trong lĩnh vực vi điện tử. Họ đã biến một tấm graphene siêu mỏng thành các bóng bán dẫn siêu nhỏ, mở ra khả năng chế tạo máy vi tính siêu nhỏ cũng như những vi mạch cứng siêu nhỏ trong tương lai. Các nhà khoa học trên dự báo vào cuối thập kỷ này, thế giới có thể có máy tính kích thước đặt trong lòng bàn tay nhưng có sức mạnh tính toán bằng 10.000 máy tính hiện nay. Graphene cũng tạo ra cuộc cách mạng trong lĩnh vực chế tạo màn hình siêu mỏng và siêu lớn. Người ta có thể mang tivi này trong túi đến bất cứ đâu và treo lên tường để thưởng thức các chương trình truyền hình. Trong quân sự, các nhà khoa học Đại học Texas ở thành phố Dallas đã sử dụng graphene để làm biến mất các vật thể khỏi tầm mắt của con người. Những tấm áo choàng vô hình này sẽ giúp tàng hình các phương tiện quân sự như xe tăng, pháo… thậm chí cả con người trước mắt đối phương. Tóm lại, giới khoa học nhận định graphene sẽ góp phần định hình mọi lĩnh vực đời sống hàng ngày của con người vào cuối thập kỷ này. Tạo ra công nghệ sản xuất vật liệu Graphene Nhóm nghiên cứu khoa học do Giáo sư Đại học Khoa học và công nghệ Ulsan Baik Jong-beom đứng đầu đã phát triển công nghệ sản xuất graphene, vật liệu ứng dụng hiệu quả trong ngành điện tử. Graphene là một loại vật liệu mới được cấu tạo từ một lớp nguyên tử carbon liên kết với nhau theo hình tổ ong. Nó thường được lấy từ bề mặt chì có độ dẫn điện gấp 100 lần so với đồng, có độ dẻo dai gấp 200 lần so với thép và rất mềm dẻo. Vì thế graphene được chú ý là vật liệu có thể sử dụng để tạo ra các máy tính dạng đồng hồ đeo tay hay các màn hình mỏng như tờ giấy. Các nhà nghiên cứu gặp khó khăn trong việc thương mại hóa graphene do vật liệu này mới chỉ được lấy một lượng rất ít bằng việc sử dụng chất axít mạnh. Tuy nhiên, nhóm cộng sự của Giáo sư Baik lần đầu tiên đã phát hiện graphene lớp mỏng dễ dàng được phân loại khi xay với tốc độ cao cùng với chì và CO2 rắn. Nhóm nghiên cứu dự đoán sẽ giảm thiểu ô nhiễm môi trường và sản xuất đại trà graphene do có thể lấy nước làm dung môi thay vì chất độc hại như acid sulfuric và acid nitric. Kết quả nghiên cứu được đăng trên Tạp chí Viện hàn lâm khoa học quốc gia Mỹ. NGUỒN: KINH NGUYEN
|
|
|
Post by Cửu Long Giang on Dec 15, 2011 10:29:13 GMT 9
'Cuộc chiến' về đất hiếm: Không ít nhưng khó kiếm Wednesday, January 05, 2011 Hà Tường Cát Thị trường quốc tế đang quan tâm trước việc Trung Quốc vừa loan báo sẽ giảm 10% sản lượng đất hiếm xuất cảng trong 6 tháng đầu năm 2011. Ðất có chứa nhiều loại nguyên tố đất hiếm được chuyển xuống tàu tại một hải cảng tỉnh Giang Tô, Trung Quốc, để xuất cảng sang Nhật Bản. (Hình: STR/AFP/Getty Images)Ðây là những nguyên liệu rất cần thiết trong công nghệ điện tử và kỹ thuật cao mà Trung Quốc là nước gần như chiếm độc quyền cung cấp tới 95% nhu cầu của thế giới. Ðất hiếm là gì? Ðất hiếm (rare earth) là những kim loại chỉ mới được khám phá dần dần từ hơn 200 năm nay và ít quen thuộc với mọi người trong đời sống hằng ngày, hiện nay gồm có 17 loại, và theo dự đoán thì con số tối đa những kim loại đất hiếm này có thể là 25. Ðịnh nghĩa trong lãnh vực khoa học bằng cách xếp hạng theo nguyên tử số ở bảng tuần hoàn nguyên tố Mendeleev (Dmitri Mendeleev, nhà bác học Nga, 1834-1907), thì đất hiếm gồm nhóm 15 nguyên tố xếp thứ tự từ 57 đến 71 gọi chung là nhóm lanthanide và hai nguyên tố đứng riêng lẻ. Hai nguyên tố scandium (21), yttrium (39) được coi là đất hiếm vì tính chất tương tựa và thường tìm thấy trong cùng những quặng với nhóm lanthanide. Trong công nghiệp, nhóm đất hiếm lanthanide được phân thành hai loại nhẹ và nặng. Ðất hiếm nhẹ (LREE = Light Rare Earth Elements) gồm 6 kim loại từ lanthanum (57) đến samarium (62) và đất hiếm nặng (HREE = Heavy Rare Earth Elements) gồm 9 kim loại từ europium (63) đến lutetium (71). Chế hóa đất hiếm Mặc dầu mang tên là đất hiếm nhưng thật ra những kim loại này không hẳn là hiếm, thành phần trong lớp vỏ địa cầu nhiều ngang với thiếc, kẽm hay đồng. Cũng không nên nhầm đất hiếm với kim loại quý như vàng, platin, bạc... là những nguyên tố chỉ có rất ít ở vỏ địa cầu. Tuy nhiên đất hiếm không tập trung thành quặng với hàm lượng lớn để có điều kiện thuận lợi về kinh tế cho việc khai thác giống như những mỏ khoáng chất thông thường. Ðây là những kim loại không bao giờ tìm thấy ở dạng ròng trong thiên nhiên, cũng không bao giờ có quặng nguyên chất, chỉ thấy những hợp chất lẫn lộn cùng các khoáng chất khác, vì vậy mà người ta đã gọi chung là đất. Những kim loại đất hiếm có hóa tính tương tự nhau vì cấu tạo nguyên tử rất giống như nhau. Do đó việc tinh chế quặng và tách rời đất hiếm khó khăn hơn nhiều so với các kim loại quen thuộc như sắt, đồng, nhôm. Hơn một thế kỷ sau khi phát hiện, đất hiếm vẫn chỉ được điều chế và sản xuất trong tầm mức nhỏ, với giá cả tương đối đắt nên chưa được sử dụng phổ biến. Nửa cuối thế kỷ 20 người ta mới phát triển được kỹ thuật tách rời và tinh chế đất hiếm, đồng thời tìm ra cách ứng dụng những đặc tính của nó cho nhiều ngành công nghiệp. Nhưng trong việc sản xuất đất hiếm với quy mô công nghệ, các chất thải bao gồm hóa chất độc và trong vài trường hợp có tính phóng xạ, nếu không được xử lý đúng cách có thể gây nguy hại đến môi trường cũng như sức khỏe con người. Mỗi kim loại đất hiếm đều có giá trị sử dụng quan trọng trong công kỹ nghệ, bao gồm chế tạo các nam châm vĩnh cửu, vật liệu siêu dẫn (superconductor), luyện kim, làm chất xúc tác trong kỹ nghệ hóa dầu, sắc tố cho đồ thủy tinh hay pha lê, thuốc diệt mối mọt, thuốc trừ sâu, phân bón,... Hàng trăm dụng cụ kỹ thuật cao ngày nay dùng đến đất hiếm: từ đèn hơi thủy ngân, máy vi tính, màn ảnh truyền hình, laser, điện thoại iPhone, BlackBerry, đến turbine điện gió, xe hơi động cơ hybrid và nhiều loại trang thiết bị quân sự như radar, kính nhìn ban đêm, điện trì nguyên tử... Ðất hiếm tìm thấy ở đâu? Ðất hiếm được khám phá đầu tiên ở Thụy Ðiển nhưng ngày nay gần như tất cả đất hiếm đều được khai thác tại Trung Quốc và chiếm khoảng 96% sản lượng toàn thế giới. Việt Nam cũng là một nơi nhiều tài nguyên đất hiếm, trữ lượng dự đoán khoảng 10 triệu tấn, phân bố rải rác trong các mỏ quặng ở tỉnh Lai Châu và vùng Tây Bắc, số khác ở trong cát đen rải rác dọc theo ven biển các tỉnh miền Trung. Tháng 10 năm 2010 Việt Nam đã ký thỏa thuận khai thác và bán đất hiếm cho Nhật Bản với dự trù bắt đầu sản xuất từ năm 2013. Cho đến sau Thế Chiến II, hầu hết đất hiếm cung cấp cho thế giới được khai thác ở Ấn Ðộ và Brazil trong những mỏ hay trầm tích cát biển. Từ 1950 Nam Phi trở thành nguồn sản xuất chính khi tìm thấy những vỉa quặng monazite, một loại khoáng chất phosphate chứa những kim loại đất hiếm như lanthanum, cerium và thorium (90). Sau đó đến lượt những nguồn đất hiếm ở Australia và Hoa Kỳ. Trong ba thập niên 1960 đến 1980, sản xuất đứng đầu thế giới là mỏ đất hiếm Mountain Pass ở California, nằm bên cạnh đường 15 đi đến Las Vegas, ở cao độ 4,700 feet và cách biên giới tiểu bang chừng 15 dặm. Ðây là một mỏ lộ thiên được tìm thấy năm 1949 và đi tới sản xuất với quy mô lớn trong 30 năm từ 1965 đến 1995. Quặng bastnaside ở đây cung cấp loại đất hiếm chính là HREE europium dùng cho màn ảnh truyền hình màu. Mountain Pass ngưng hoạt động năm 2002 một phần vì quy định hạn chế về môi trường nhưng phần chính là do giá đất hiếm hạ thấp với sự cạnh tranh của Trung Quốc. Mỏ đang được tái thiết để hoạt động trở lại năm nay và dự trù năm 2012 sản xuất 20,000 tấn. Theo nghiên cứu của cơ quan địa chất Hoa Kỳ USGS năm 2010, trữ lượng đất hiếm tại Hoa Kỳ là 13 triệu tấn. Hiện nay đất hiếm được sản xuất ở nhiều nơi như Ấn Ðộ, Nam Mỹ, Phi Châu và có nhiều dự án khai thác ở Australia, Nga, Afghanistan, Greenland cũng như có thể dưới đáy biển. Nhưng từ đầu thế kỷ này Trung Quốc dần dần chiếm độc quyền trên thị trường quốc tế, năm 2009 cung cấp 124,000 tấn. Nếu không có thêm những nguồn khai thác khác, nhu cầu đất hiếm của thế giới mỗi năm sẽ thiếu khoảng 40,000 tấn. Ðất hiếm Trung Quốc Mỏ đất hiếm lớn nhất thế giới đang được khai thác là Bayan Obo Nội Mông (Mông Cổ thuộc Trung Quốc), cung cấp 45% đất hiếm đang dùng trên thế giới. Tuy nhiên theo ước lượng mỏ này đã khai thác hết 30% trữ lượng khoảng 40 triệu tấn đất hiếm. Nhưng tại Trung Quốc còn có nhiều mỏ đất hiếm ở các tỉnh phía Nam như Quảng Tây, Quý Châu, Vân Nam. Giữa năm 2010 nhà cầm quyền Trung Quốc đã loan báo mở chiến dịch 5 tháng trấn áp ngăn chặn việc khai thác lậu nhằm bảo vệ môi trường và tài nguyên quốc gia. Vì đất hiếm trở thành một nguyên liệu có giá, các tổ chức băng đảng đã hình thành và khai thác đất hiếm ở những khu mỏ nhỏ trong vùng núi non hay nông thôn hẻo lánh tại các tỉnh phía Nam. Chất thải độc hại của quy trình khai thác đất hiếm như sulfuric acid cũng như các chất có mức phóng xạ thấp nhưng tác hại lâu dài sẽ ảnh hưởng đến môi trường và đời sống của dân chúng. Theo ước lượng, những tổ chức khai thác bất hợp pháp ở miền Nam Trung Quốc đã sản xuất tới phân nửa đất hiếm nặng (HREE) bán trên thị trường thế giới. Theo số liệu của bộ Năng lượng Hoa Kỳ, 1 pound đất hiếm dysprosium (66) hiện nay trị giá $132 so với $6.50 năm 2003. Các tổ chức buôn lậu trả cho bọn khai thác bất hợp pháp khoảng phân nửa số tiền ấy để mua những quặng sơ chế. Trong vụ tranh chấp hải đảo phía cực Nam quần đảo Lưu Cầu với Nhật Bản hồi tháng 9 năm ngoái, Trung Quốc đã âm thầm ngăn cấm tất cả mọi chuyến hàng đất hiếm chở sang Nhật Bản, nơi kỹ nghệ xe hơi rất cần đến đất hiếm dùng cho động cơ xe hybrid. Trung Quốc cũng trì hoãn một số chuyến hàng bán qua Âu Châu và Hoa Kỳ và yêu cầu các nơi mua hàng chứng minh là họ trực tiếp sử dụng đất hiếm thay vì bán lại cho Nhật Bản. Tuy nhiên hàng lậu từ miền Nam Trung Quốc thường được chuyển qua đường biên giới Việt Nam và nhà cầm quyền Trung Quốc cho rằng trước khi Việt Nam sản xuất được đất hiếm, Nhật Bản vẫn có nguồn cung cấp từ đây. Hiện nay Trung Quốc đã loan báo cắt giảm 35% hạn ngạch (quota) xuất cảng đất hiếm trong 6 tháng đầu năm 2011. Bộ Thương Mại Trung Quốc hôm 28 tháng 12 cấp phép xuất cảng 14,446 tấn đất hiếm cho 31 công ty trong nước và công ty đầu tư nước ngoài. Năm 2010 bộ này đã cấp phép xuất cảng trong hai đợt, đợt đầu 22,282 tấn và đợt sau 7,976 tấn. Chính quyền Trung Quốc giải thích rằng biện pháp này nhằm bảo vệ nguồn tài nguyên cũng như môi trường, và sẽ loan báo hạn ngạch xuất cảng cho nửa cuối năm 2011 sau này. Biện pháp hạn chế xuất cảng của Trung Quốc làm giá cả đất hiếm trên thị trường thế giới tăng cao. Nhưng Trung Quốc nói rằng nền kỹ nghệ đang phát triển của vấn đề này hiện nay cũng sử dụng đến rất nhiều đất hiếm nên đây là việc làm cần thiết. Ðồng thời thuế xuất cảng một số kim loại đất hiếm như neodymium (60) dùng cho bình điện xe hơi hybrid các xe Toyota Prius và Hond Insight cũng tăng từ 15% lên 25%. Hoa Kỳ có thể khiếu nại với Tổ Chức Mậu Dịch Quốc Tế WTO về những biện pháp này nhưng nữ phát ngôn viên Jiang Yu bộ Ngoại Giao Trung Quốc nói rằng: “Chúng tôi hành động phù hợp với luật lệ của WTO và trong tương lai Trung Quốc sẽ có những bước quản lý hiệu quả việc xuất cảng để tiếp tục cung cấp đất hiếm cho thị trường thế giới theo quy định của WTO.” Theo giải thích của Trung Quốc, cộng đồng quốc tế có trách nhiệm chung trong việc cung ứng đất hiếm và những nước khác cũng phải sản xuất đất hiếm như họ có thể sẵn có tài nguyên này. Trong tình trạng thị trường khan hiếm đất hiếm, nhiều quốc gia đang có dự án khai thác quặng đất hiếm cũng như tái sinh (recycle) từ các dụng cụ phế thải. Ngoài ra Nhật Bản vừa loan báo đã tìm ra phương pháp sản xuất đất hiếm nhân tạo. và trong tương lai có thể đưa vào kỹ nghệ. (HC)
|
|
|
Post by Can Tho on Sept 17, 2013 8:51:42 GMT 9
Graphene: Thế giới phẳng của carbonTrương Văn Tân "Thượng đế làm ra khối rắn, nhưng bề mặt được tạo bởi yêu ma." Wolfgang Pauli Tóm tắt Tiếp nối quả bóng C60 và ống than nano, sự ra đời của graphene thuộc dòng họ carbon mang đến cộng đồng nghiên cứu khoa học một niềm kích động to tát và doanh nghiệp một niềm hy vọng lớn cho vật liệu tiên tiến tương lai. Năm 2010, Andre Geim và Konstantin Novoselov đoạt giải Nobel Vật lý cho các công trình graphene càng làm cho cao trào nghiên cứu graphene thêm sôi động. Graphene là vật liệu carbon có hình dạng mạng lưới lục giác nối kết các nguyên tố carbon giống tổ ong và có độ dày của một nguyên tử carbon. Vì vậy, graphene là vật liệu 2 chiều. Sự hiện hữu của graphene đã biết từ lâu vì than chì (graphite) là tập hợp của những lớp graphene mà người ta thường dùng làm lõi bút chì. Với thao tác "dán bóc" đơn giản dùng băng keo Geim và Novoselov lần đầu tiên đã "bóc" ra được một lớp graphene từ than chì, vật liệu mỏng nhất trong vũ trụ, và đã mở màn cho những nghiên cứu cơ bản về mặt phẳng của thế giới vi mô và các ứng dụng trong công nghiệp điện tử, bộ cảm ứng, gia cường, công cụ tích trữ năng lượng và nhiều ứng dụng khác. Bài viết này mô tả quá trình tìm kiếm graphene của Geim và Novoselov, những hiện tượng kỳ bí do sự di động của electron trên bề mặt graphene, phương pháp tổng hợp và các ứng dụng tiêu biểu. Graphene không là một vật liệu 2 chiều duy nhất. Cái huyễn hoặc của bề mặt "hồ ly" nhiều thách thức khiến cho việc tìm kiếm các vật liệu 2 chiều khác graphene diễn ra sôi nổi. Chồng chập các loại vật liệu 2 chiều khác nhau sẽ tạo nên một thứ "bánh kẹp" phân tử rất đa dạng mà các nhà khoa học hy vọng rằng chúng sẽ mang đến nhiều đặc tính thú vị chưa từng thấy với tiềm năng ứng dụng vô cùng phong phú. 1. Thế giới hai chiều Carbon là một nguyên tố kỳ diệu. Kỳ diệu bởi lẽ nó là cơ nguyên của các vật liệu hữu cơ và sự sống. Nếu các hợp chất chứa carbon không có độ bền kinh ngạc thì sự sống từ thuở khai thiên lập địa đã không thể tồn tại cho đến ngày nay trên hành tinh này, thậm chí trong toàn vũ trụ. Trong vài thập niên gần đây nguyên tố carbon của thời xa xăm bỗng bật dậy "tái xuất giang hồ" qua những phát hiện của vật liệu mới thuần carbon như quả bóng fullerene C60, ống than nano và graphene. Chúng mang lại những niềm hy vọng mới trong các ứng dụng của khoa học vật liệu và cũng là những mô hình thực sự để giải đáp những thao thức lý thuyết đã có từ lâu trong vật lý chất rắn. Trong các thể loại thuần carbon, than nhiên liệu là carbon vô định hình gắn bó với cuộc sống con người đã vài ngàn năm và cũng là nhân tố thành hình cuộc cách mạng công nghiệp của loài người. Carbon kết tinh có hai dạng khác nhau "thượng vàng hạ cám" trong hình dạng, đặc tính, màu sắc và giá cả. Đó là dạng kim cương cứng, lấp lánh và rất nhiều tiền; dạng thứ hai là than chì (graphite) mềm, đen đúa nhưng giá cả khiêm tốn. Sự khác biệt xuất phát từ cấu trúc phân tử. Trong trường hợp kim cương, toàn thể electron của nguyên tố carbon được nối kết trở thành nối cộng hóa trị nên kim cương là một vật liệu rất cứng và cách điện. Ngược lại, than chì là một tập hợp chồng chập của các lớp hai chiều gọi là graphene và đây là vật liệu 2 chiều có độ dày của một nguyên tử carbon. Những lớp graphene này tương tác bằng những liên kết yếu có thể trượt lên nhau nên trong trạng thái vĩ mô graphite là một vật liệu mềm. Liên kết yếu được tạo bởi những electron tự do nên graphite dẫn điện và hấp thụ ánh sáng. Chúng ta sống trong không gian 3 chiều (3D). Muốn tìm kiếm vật nhỏ hơn 3 chiều ta phải lặn lội vào thế giới vi mô. Ta có thể xem quả bóng C60, nguyên tử hay hạt cơ bản là vật liệu 0 (zero) chiều, ống than nano hay phân tử polymer là vật liệu 1 chiều (1D) nhưng đối với vật liệu 2 chiều (2D) ta phải chờ đến năm 2004. Một trang giấy gọi là cực mỏng cũng phải có bề dày trong khoảng 50 µm (1/20 mm), nếu kích cỡ của một nguyên tử là 0,1 nm (nanomét) thì bề dày trang giấy tương đương với 500.000 nguyên tử chồng lên nhau. Trong công nghiệp transistor, các kỹ sư điện tử có thể chế tạo chính xác lớp cách điện silicon dioxide (SiO2) cực mỏng có độ dày vài nanomét, hay là chiều dày của vài mươi nguyên tử. Lớp SiO2 của transistor có lẽ là vật chất mỏng nhất mà con người có thể chế tạo. Vì nguyên tử là yếu tố nhỏ nhất của vật chất, như vậy một vật 2 chiều (2D) có thể xem là vật chất có độ dày của một nguyên tử. Trong vật lý chất rắn đã có rất nhiều lý thuyết bàn về các vật chất 2 chiều giả tưởng và một kết luận quan trọng được đưa ra là quy luật vật lý không cho phép sự hiện hữu của vật chất 2 chiều. Nhưng vào năm 2004 Geim và Novoselov tạo ra một lớp bong graphene từ than chì đã làm thay đổi mọi suy nghĩ kinh điển. Sự phát hiện của graphene đã đem đến một cảm giác tuyệt vời mà theo lời của một nhà khoa học, "Lần đầu tiên trong lịch sử khoa học con người có thể nhìn, sờ và sử dụng được một vật liệu mỏng tận cùng có bề dày của một nguyên tử". Cũng từ 2004 số bài báo cáo về graphene trên các tạp chí hàn lâm gia tăng đột biến đạt gần 2.500 bài trong năm 2009 và vẫn tiếp tục gia tăng (Hình 1). Mặt phẳng graphene còn được xem như là đơn vị cơ bản hay là "mẹ" sinh ra những đứa "con" như quả bóng C60 fullerene, ống than nano và than chì (Hình 1). Hình 1: Số bài báo cáo về graphene. Graphene là đơn vị cơ bản làm ra quá bóng C60, ống than nano và graphite [1-2]. 2. Con đường tìm kiếm thế giới 2 chiều Tháng 12 năm 2010, Viện Hàn lâm Khoa học Thụy Điển trao giải Nobel Vật lý cho công trình nghiên cứu graphene của hai nhà khoa học người Anh gốc Nga, Andre Geim và Konstantin Novoselov (Đại học Manchester, Anh quốc). Graphene là một lớp của than chì. Quyết định làm ngạc nhiên không ít người trong cộng đồng nghiên cứu khoa học vì việc chế tạo graphene của nhóm Geim và Novoselov vừa chỉ xuất hiện vào năm 2004 [3]. Nhưng tầm quan trọng trong ứng dụng của graphene và việc mở rộng chân trời nghiên cứu vật lý lý thuyết cho chất rắn 2 chiều có lẽ là hai nguyên nhân chính trong việc trao giải Nobel cho Geim và Novoselov. Như vậy, trong một phần tư thế kỷ qua với giải Nobel Hóa học (1996) cho fullerene, giải Nobel Vật lý (2010) cho graphene, và việc tái phát hiện ống than nano vào năm 1991 bởi tiến sĩ Sumio Ijima tại phòng thí nghiệm của công ty NEC (Nhật Bản) đã làm "trẻ hóa" một carbon già cỗi và trở thành vật liệu quan trọng mang đến những tiềm năng ứng dụng to lớn trong khoa học công nghệ. Cũng như than đá và kim cương, fullerene và than chì đã hiện hữu xung quanh ta từ ngàn xưa. Quả bóng fullerene ẩn tàng trong các mỏ than thậm chí trong các đám mây vũ trụ từ thuở khai thiên lập địa. Thiên nhiên huyền bí nhưng thỉnh thoảng cũng phát ra những tín hiệu ám chỉ những ẩn tàng của mình đang chờ đợi con người "bật mí". Thật vậy trong dòng họ carbon, kim cương và than chì là vật liệu có dạng 3 chiều, ống than nano có dạng 1 chiều và quả cầu fullerene có dạng zero chiều. Theo sự suy nghĩ lôgic, phải có sự tồn tại của vật thể carbon 2 chiều lắp vào khoảng hở để hoàn chỉnh toàn bộ dạng thể carbon từ zero đến 3 chiều. Than chì là tập hợp của những lớp graphene và từ lâu người ta đã biết rõ cấu trúc lớp (layered structures) của nó, vì giá rẻ và đặc tính mềm nên không biết làm gì hơn là dùng làm lõi bút chì. Những lớp này giống như mạng lưới hình tổ ong được nối với nhau bởi những liên kết yếu khiến cho nó có thể trượt lên nhau và tách ra khi có một lực tác động từ ngoài. Khoảng cách giữa hai lớp graphene trong than chì là 0,34 nm (nanomét), như vậy cứ 1 mm than chì ta có 3 triệu lớp graphene chồng bám lên nhau. Con người dùng bút chì cũng đã có vài trăm năm nhưng không ai nghĩ động tác viết lên giấy là dùng sức để phá vỡ những liên kết giữa các lớp graphene. Những đường viết bám trên giấy chẳng qua là tập hợp những lớp bong than chì chứa vài trăm, vài mươi lớp graphene và lẩn vào đó có thể là những mảnh graphene chỉ mỏng một vài lớp (Hình 2) cực kỳ trân quý. Vô hình trung, hàng trăm năm qua có thể con người đã tạo vô số graphene bám trên giấy viết nhưng không ai màng quan sát chúng cho đến khi than chì lọt vào mắt xanh của nhóm nghiên cứu Andre Geim và Konstantin Novoselov. Sau đó thì mọi việc trở nên vô cùng thú vị. (a) (b) Hình 2: (a) Than chì trong lõi bút chì. (b) Than chì là tập hợp của các mặt phẳng graphene hình lục giác. Trong mặt phẳng là liên kết cộng hóa trị carbon-carbon rất bền và giữa các mặt phẳng là các liên kết yếu. Tại đại học Manchester (Anh Quốc) nhóm nghiên cứu của Geim và Novoselov dùng một phương pháp đơn giản bằng cách áp băng keo lên than chì để tách ra một lớp than chì mỏng hơn, rồi lặp lại thao tác trên lớp than này để có một lớp than mỏng hơn nữa. Làm nhiều lần như thế thì ta có thể thu hoạch được những mảnh graphene [3], một vật liệu 2 chiều với "độ dày" của một nguyên tử. Từ đó than chì từ một "phó thường dân" được thăng hoa trở thành hoàng tử. Một vật liệu như graphene nằm sóng soải trước mắt từ bao ngàn đời nhưng chỉ cần một thao tác "văn phòng" đơn giản để biến nó thành vật liệu của giải Nobel. Nói như thế không có nghĩa các nhà khoa học kém sự quan tâm đến graphene bởi thật ra gần 80 năm trước tinh thể 2 chiều đã là một đề tài lý thuyết thú vị và sự hiện hữu của nó là một ám ảnh thường trực của các nhà nghiên cứu vật lý lý thuyết. Những nhà vật lý nổi tiếng như Peierls [4] và Landau [5] cho thấy rằng sự dao động nhiệt (thermal fluctuation) sẽ gây ra sự tan chảy mạng tinh thể 2 chiều khiến cho sự hiện hữu của một vật liệu 2 chiều không thể nào xảy ra, tìm nó chỉ hoài công. Những kết quả thực nghiệm về sau đã thực chứng dự đoán này [6] và cho biết nhiệt độ tan chảy của tấm phim giảm theo bề dày của phim và khi tấm phim đạt đến độ mỏng của vài mươi nguyên tử (khoảng 1 nanomét) phim sẽ tự suy thoái co cụm lại thành những "hòn đảo" 3 chiều. Như vậy, vật thể 2 chiều không thể tồn tại vì sự không bền nhiệt động học (thermodynamically unstable). Thiên nhiên dường như không thích vật 2 chiều. Đó là lý thuyết và kết quả thực nghiệm của vài mươi năm trước. Sự kiện tách một mảng graphene có độ dày của một nguyên tử carbon từ than chì và giữ được nó trong trạng thái tự do bằng một thao tác đơn giản của nhóm Geim và Novoselov dường như mâu thuẫn với những điều hiểu biết trước đó và đã tạo nên một cú "sốc" trong cộng đồng khoa học. Một cú "sốc" rất xứng đáng với giải Nobel và lập tức người ta phải kiểm nghiệm lại những dự đoán lý thuyết và kết quả thực nghiệm. Phải chăng những bậc lý thuyết gia tiền bối nổi tiếng như Peierls và Landau đã tính nhầm một vài con số? Thật ra những dự đoán lý thuyết hoàn toàn chính xác. Mặc dù lý thuyết không chấp nhận một mạng lưới tinh thể toàn bích trong không gian 2 chiều, nghĩa là trên một mặt phẳng tuyệt đối, nhưng nó không cấm đoán một mạng lưới 2 chiều nương tựa trên một khối 3 chiều hay tự thân hiện hữu trong không gian 3 chiều. Điều này đúng với sự quan sát của Geim, Novoselov và các cộng sự [7]. Dưới kính hiển vi họ đã quan sát được những mảng graphene lơ lửng trong trạng thái tự do không phẳng mà lồi lõm như mặt sóng vi mô trong không gian 3 chiều (Hình 3). (a) (b) Hình 3: Graphene không tồn tại trong một mặt phẳng tuyệt đối (a), nhưng hiện hữu với mặt lồi lõm của không gian 3 chiều (b). Hầu như nhiều thông tin về điện tính, cấu trúc điện tử đã được biết từ thế kỷ 20, vài mươi năm trước khi bài báo cáo của Geim, Novoselov và các cộng sự xuất hiện. Lý thuyết về cấu trúc dải (band structure) của graphene đã được Wallace đề xướng vào năm 1947 [8]. Lý thuyết này nằm đó đóng bụi với thời gian cho đến khi graphene thực sự ra đời thì nó nhanh chóng trở nên ánh đuốc soi đường. Phương pháp "dán bóc" dùng băng keo của Geim and Novoselov cũng không phải là điều mới lạ. Những chuyên gia đã dùng kỹ thuật "dán bóc" tạo ra những mẫu thí nghiệm cực mỏng để quan sát chúng dưới kính hiển vi. Thủ thuật "dán bóc" cũng đã từng thực hiện trong quá khứ (năm 1997) nhưng chỉ đạt đến vài mươi lớp graphene. Trong bài diễn văn nhận giải Nobel của giáo sư Geim [9], ông kể lại những bước ngẫu nhiên lắm lúc loạng choạng đưa đến tột đỉnh vinh quang. Sự kiện tạo ra graphene, một vật liệu mỏng nhất trong vũ trụ, từ lõi bút chì và băng keo chỉ là cách nói đơn giản về một quá trình thực nghiệm phức tạp, gian nan và thái độ làm việc cẩn trọng và nghiêm túc. Geim đã hướng dẫn một nghiên cứu sinh người Trung Quốc và "nhầm lẫn" trao cho anh học trò này một thỏi than chì bình thường thay vì là than chì chất lượng cao (có tên khoa học là "highly oriented pyrolytic graphite", viết tắt HOPG) với yêu cầu tách graphene bằng phương pháp mài (polish). Anh sinh viên đáng thương này đã mài suốt trong quá trình tiến sĩ và theo lời của Geim thì giống như mài một hòn núi trở thành hạt cát mà chỉ thu hoạch được một mảnh than chì dày 10 micromét. Quá dày để tìm ra graphene! Sau "nhầm lẫn" này Geim nhanh chóng thay đổi vật liệu và sử dụng than chì HOPG. Kỹ thuật "dán bóc" ra đời trong phòng thí nghiệm của Geim. Tách một mảnh graphene từ một thỏi than chì là một việc nhưng việc nhận diện graphene là một việc khó khăn hơn. Việc tìm ra mảnh graphene một vài lớp trong hàng ngàn mảnh graphene dày mỏng khác nhau gần như việc mò kim đáy biển. Trong việc quan sát graphene, những kính hiển vi tối tân như kính hiển vi điện tử quét đường hầm (scaning tunelling microscope), lực nguyên tử (atomic force microscope) gần như vô hiệu để nhận diện graphene. Nhưng với một "ánh chớp thiên tài" Geim, Novoselov và những nghiên cứu sinh đã chuyển những lớp than chì dày mỏng khác nhau và chứa vô số lớp bong graphene từ băng keo sang một đĩa silicon rồi quan sát dưói một kính hiển vi quang học bình thường. Bề mặt của silicon thường bị phủ bởi silicon dioxide (SiO2) do sự oxit hóa. Thực chất là các lớp bong graphene được đặt trên SiO2. Dưới sự khúc xạ của ánh sáng và sự giao thoa cuả phản xạ từ SiO2 lớp bong graphene cho ra nhiều màu sắc tùy theo độ dày của graphene giống như bề mặt nhiều màu của bọt xà phòng (Hình 4). Từ màu sắc khác nhau ta có thể tính được số lớp của graphene. Chính lớp phủ SiO2 này đã cho sự phản xạ ánh sáng thích hợp để ta có thể nhận diện được graphene dưới ống kính hiển vi quang học bình thường. Graphene càng mỏng thì càng trong suốt, màu sắc càng mong manh và càng khó phát hiện. Graphene một lớp chỉ thấy được khi lớp SiO2 có độ dày chính xác 315 nm. Nếu độ dày chệch ra ngoài con số may mắn này thì graphene một lớp sẽ không bao giờ hiện ra dưới ống kính hiển vi và mãi mãi chôn vùi theo thời gian [10-11]. (a) (b) Hình 4: (a) Lớp bong graphene từ than chì được tách ra bởi băng keo. (b) Những lớp bong cho nhiều màu sắc bởi độ dày khác nhau dưới kính hiển vi quang học [9]. Nhưng khoa học về graphene sẽ không có gì thú vị nếu chỉ ngừng ở việc mày mò quan sát dưới kính hiển vi một vật liệu mỏng với bề dày nguyên tử. Graphene cần được dùng để chế tạo một công cụ (device) nhưng trước hết cần phải định rõ đâu là đường ranh của bề mặt 2 chiều và thể khối 3 chiều. Việc tìm kiếm đường ranh và phân loại số lớp của tập hợp graphene là điều quan trọng trong lý thuyết lẫn ứng dụng. Đương nhiên, bề mặt của một lớp nguyên tử là một vật tuyệt đối 2 chiều; hai lớp, ba lớp vẫn được xem là bề mặt 2 chiều mặc dù có cấu trúc điện tử khác nhau và cho những ứng dụng khác nhau. Khi tập hợp graphene có năm lớp thì sự phân biệt giữa bề mặt và thể khối bắt đầu xuất hiện [12]. Khi chồng lên mười lớp thì ta tiến đến vật liệu 3 chiều cực mỏng và khi có 100 lớp thì nó sẽ có độ dày 10 nanomét (nm) và trở thành một màng mỏng với những đặc trưng của tuyệt đối 3 chiều. Như vậy, sự phát hiện của Geim và Novoselov đã tạo ra một chấn động như thế nào để đoạt được giải Nobel? Là một chuyên gia về màng cực mỏng và cũng như những nhà vật lý thực nghiệm khác, Geim băn khoăn tự hỏi có khả năng nào dùng màng cực mỏng thay thế silicon làm transistor để tiếp tục con đường thu nhỏ theo định luật Moore. Đứng trước số lượng báo cáo lớn về transistor dùng ống than nano và có trong tay những mảnh graphene li ti vô cùng hấp dẫn Geim dự đoán nếu dùng "người em họ" graphene thay cho ống than nano ta sẽ có transistor tương tự như ống than nhưng sẽ rất khác biệt về mặt vật lý vì graphene không phải là màng mỏng 3 chiều mà chỉ là một bề mặt. Ngoài ra, dùng transistor như là một công cụ ta có thể khảo sát được cơ cấu vận chuyển của electron trên mặt phẳng 2 chiều. Trước cuộc thí nghiệm tưởng tượng này Geim và Novoselov tràn đầy niềm hứng khởi và tự tin. Einstein từng nói, "Sự tưởng tượng quan trọng hơn tri thức" và sự tưởng tượng của Geim và Novoselov đã tạo ra một transistor đầu tiên dùng graphene. Từ ý tưởng của Geim, Novoselov đã dùng tăm xỉa răng chấm chất keo bạc lên mảnh graphene li ti có kích cỡ 50 x 100µm (100µm là đường kính sợi tóc) để nối dây dẫn điện làm transistor. Bài báo cáo vỏn vẹn ba trang giấy [3] nhóm Geim và Novoselov diễn tả đặc tính transistor graphene và sự vận chuyển của electron và lỗ tích điện dương đã làm bùng nổ một cuộc cách mạng và đưa đến giải Nobel. Trong một bài báo cáo kế tiếp Geim và Novoselov [13] và nhóm Kim [14] cho biết một phát hiện khác đầy kinh ngạc là electron di động trên mạng với vận tốc rất cao (1.000 km/s) hay 1/300 lần vận tốc của ánh sáng (300.000 km/s) và hành xử như hạt không có khối lượng (massless) giống như photon (Phụ lục 1). Nhờ vào sự di động rất cao của các electron graphene có độ dẫn điện 40 % cao hơn đồng. Như vậy, khác electron trên mặt của chất bán dẫn như người ta thường biết bề mặt graphene giờ đây là một vũ trụ hai chiều của thế giới vi mô trong đó electron "bay" ngang dọc như photon ánh sáng trong vũ trụ bao la của vạn vật. Bề mặt lục giác graphene vẫn chưa hết sự ly kỳ. Sự chuyển động của electron trên bề mặt này được ghi nhận là "đạn đạo" (ballistic); nó có ý nghĩa rằng khi di động electron không va chạm vào bất cứ vật thể gì trên quãng đường chu du của nó. Hiện tượng này giống như siêu dẫn không gây ra điện trở. Sự chuyển động của electron trong ống than nano cũng có đặc tính đạn đạo. Suy luận một cách định tính, trong con đường hầm trống rỗng của ống nano hay khoảng không gian tự do trên và dưới của bề mặt graphene chuyển động đạn đạo của electron xảy ra gần như một tất nhiên. Người ta đã đo được quãng đường tự do trung bình (mean free path) của chuyển động đạn đạo trên mặt graphene là 65 µm dài nhất trong tất cả vật liệu biết từ trước đến nay. Trong thế giới vi mô 65 µm là khoảng cách rất dài; 3.200 lần dài hơn khi so với độ lớn 22 nm của transistor trong chip vi tính. 3. Transistor Gần hai thập niên qua sự phát triển của công nghiệp điện tử phần lớn tùy thuộc vào sự thu nhỏ của transistor [15]. Vật liệu chính dùng trong transistor hiện nay là nguyên tố silicon. Kích cỡ của transistor hiện nay đang dừng ở 22 nm và chip dùng trong các máy tính chứa hàng tỷ transistor trên một diện tích vài cm2. Transistor silicon là nhân tố cơ bản của kỹ thuật số (digital) với biểu hiện qua hai số 0 (đóng) và 1 (mở). Trong một tương lai gần sự thu nhỏ bắt buộc phải dừng lại khi chạm đến giới hạn kích cỡ của nguyên tử silicon. Các nhà khoa học và kỹ sư điện tử từ nhiều năm qua trăn trở tìm giải pháp để tiếp tục con đường thu nhỏ cho transistor. Một giải pháp là chế tạo một transistor theo khái niệm hoàn toàn mới chẳng hạn như dùng spin của vi hạt; spin quay hai chiều một chiều là 0 và chiều ngược lại là 1 hay là transistor quang học điểu khiển bởi photon thay cho electron trong transistor hiện tại. Một giải pháp khác là tiếp tục dùng thiết kế hiện có nhưng thay silicon bằng một vật liệu khác. Các nhà khoa học nhìn quanh từ nhiều năm qua tìm vật liệu mới khả dĩ có thể thay thế silicon để tiếp tục cuộc thu nhỏ. Việc dùng ống than nano vỏ đơn (single-walled carbon nanotube, SWNT) thay silicon trong transistor đã được thực hiện thành công trong các phòng nghiên cứu nhưng còn nhiều vướng mắc kỹ thuật trong việc sản xuất. Thứ nhất, SWNT vẫn chưa có thể sản xuất đại trà có độ tinh khiết hơn 99 % và có sự đồng nhất về cấu trúc và độ dẫn điện. Thứ hai, các ống nano có khuynh hướng dính vào nhau do lực van der Waal và việc tách rời từng ống nano trong quá trình sản xuất transistor vẫn còn ở trình độ thủ công. Cho đến ngày nay transistor ống than nano vẫn chưa có thể vượt qua transistor silicon về độ nhỏ cũng như phẩm chất. Kết quả thí nghiệm của transistor graphene trong bài báo cáo đẳng cấp Nobel của nhóm Geim và Novoselov [3] cho thấy graphene với độ dày của một vài lớp nguyên tử có thể kích thích được sự di động của electron trong điện trường (Hình 5). Họ đã đo được độ di động của electron và lỗ (hole) có tích điện dương trong chiếc transistor "thô thiển" là 10.000 cm2/V.s hay là 7 lần nhanh hơn trong transistor silicon (1.500 cm2/V.s) (Phụ lục 2). Trong các cuộc thí nghiệm kế tiếp trên mặt phẳng graphene tinh khiết không chất tạp độ di động đạt đến 100.000 – 200.000 cm2/V.s hay là 70 - 140 lần nhanh hơn trong silicon. Bài báo đã thu hút sự chú ý mãnh liệt của các nhà nghiên cứu trên thế giới. Khả năng chế tạo transistor với độ dày một nguyên tử (0,335 nm), hay nói một cách khác - độ mỏng tận cùng của vật chất với độ di động cao hơn silicon đã mang nhiều hứng khởi đến cộng đồng khoa học điện tử. Một vấn đề cũ lại được đem ra tái kiểm nghiệm rằng liệu graphene có thể thay thế silicon để tiếp tục cuộc cách mạng thu nhỏ của transistor? Hình 5: Cấu trúc của transistor graphene, có 3 điện cực là nguồn (source), máng (drain) và cổng (gate). Graphene được phủ lên bề mặt SiO2 và nối với điện cực nguồn và máng (Nguồn: . Trong máy tính mọi thông tin và dữ liệu đều được số hóa và chuyển tải ở dạng nhị nguyên 0 và 1. Silicon là chất bán dẫn và có vùng cấm (bandgap) ở giữa dải dẫn điện (conducting band) và dải hoá trị (valence band) (Phụ lục 3). Sự hiện hữu của vùng cấm trong nguyên tố silicon đã cho transistor chức năng nhị nguyên biểu hiện qua số 0 và 1 có tác dụng đóng mở dòng điện tùy vào điện thế của cổng transistor. Nói cách khác, transistor silicon có tác dụng như vòi nước và cổng transistor như là bộ phận khoá mở nước [15]. Nhưng tạo hóa không dễ dàng chiều lòng người. Nghiên cứu lý thuyết của Wallace vào năm 1947 về cấu trúc dải điện tử cho thấy graphene không có vùng cấm (gapless). Graphene không có vùng cấm nên transistor graphene không có chức năng nhị nguyên như transistor silicon. Nói một cách nôm na, transistor graphene như là một vòi nước chỉ có thể mở nhưng không thể đóng. Một số phòng nghiên cứu đã cải tạo graphene nhằm tạo ra một vùng cấm để tạo ra một chức năng giống như silicon. Năm 1996 trước khi graphene ra đời nhà vật lý Nhật Bản, Mitsutaka Fujita, [16] đã tính toán cho thấy nếu ta có thể cắt graphene thành một ruy-băng (ribbon) dài, gọi là băng nano graphene (graphene nanoribon) thì vùng cấm xuất hiện. Vùng cấm càng mở rộng khi tỉ lệ chiều ngang và chiều dài của ruy-băng càng nhỏ. Ngày nay, việc chế tạo băng nano graphene có thể thực hiện bằng cách "cắt" ống than nano vỏ đơn (SNWT) dọc theo chiều dài ống. Độ lớn vùng cấm của băng nano graphene được đo và rất phù hợp với kết quả tính toán của Fujita vài mươi năm trước. Nhưng tiếc thay khi có vùng cấm thì độ di động của các điện tử trong mạng graphene bị giảm sút. Người ta đã chế tạo băng nano graphene mở ra vùng cấm có độ lớn tương đương với silicon (1,1 eV) thì độ di động của các hạt tích điện (electron, lỗ) nhỏ hơn độ di động trong silicon. Độ di động giảm sút thì thông tin chuyển tải cũng bị giảm theo. Việc thay thế silicon của graphene để tiếp tục thu nhỏ transistor cho máy tính bỗng nhiên hụt hẫng. Trong quá khứ đã có nhiều tuyên bố về một vật liệu "cứu tinh" thay thế silicon tiếp tục con đường thu nhỏ transistor. Những vật liệu này đến rồi lại đi trong khi transistor silicon vẫn bình tĩnh tiến bước, càng lúc càng được thu nhỏ và hiệu năng càng hoàn thiện. Graphene cũng được xem như một vật liệu "cứu tinh" nhưng vì bản chất không có vùng cấm nên transistor graphene không có khả năng đóng dòng điện (không có trạng thái 0); việc thay thế silicon chế tạo transistor nhị nguyên cho máy tính trở nên vô nghĩa. Nhưng điều này không có nghĩa graphene là kẻ thua cuộc trong cuộc chạy đua transistor. Độ mỏng tuyệt đối nguyên tử và độ di động tuyệt vời của điện tử trong graphene vẫn là những đặc tính quá hấp dẫn khiến cho các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp không thể đơn giản phủi tay. Kể từ bài báo cáo đột phá của Novoselov và Geim (2004) [3] cho đến ngày hôm nay (2013), transistor graphene đã phát triển rất nhanh và cho thấy nhiều lợi điểm hơn "người anh em" ống than nano. Hơn nữa, việc sản xuất đại trà graphene dùng cho các công cụ điện tử có độ tinh khiết thật cao và quá trình sản xuất mang tính lặp lại (reproducibility) cho ra sản phẩm đồng nhất có nhiều hứa hẹn so với ống than nano. Vì vậy, người ta có thể dùng transitor graphene trong những công cụ không đòi hỏi trạng thái đóng (trạng thái 0) của transistor [17]. Đó là những transistor dùng cho các công cụ điện tử vô tuyến hoạt động ở tần số radio ở MHz (megahertz, 106 Hz) đến GHz (gigahertz, 109 Hz) [18]. Máy radio phát thanh là một trong những dụng cụ vô tuyến lâu đời nhất mà transistor là một linh kiện quan trọng trong mạch điện có nhiệm vụ khuếch đại âm thanh (amplifier). Cũng như transistor nhị nguyên cho máy tính, transistor tần số radio là nhân tố trung tâm điều hành các công cụ vô tuyến viễn thông. Những công cụ điện tử vận hành trong tần số radio có nhiều ứng dụng quốc phòng quan trọng từ các thập niên 80, 90 của thế kỷ trước và đến ngày hôm nay vẫn được giới công nghiệp quốc phòng ưu ái và đầu tư vào việc nghiên cứu chế tạo những công cụ mới có ứng dụng dân dụng lẫn quốc phòng. Hiện nay, transistor tần số radio dùng các hợp chất bán dẫn truyền thống như GaAs, GaN, InP hay InGaAs. Độ di động của điện tử trong các hợp chất này cao hơn Si của nhưng vẫn còn thấp hơn graphene. Độ di động càng nhanh thì tần số hoạt động của transistor càng cao và nhờ thế graphene có thể đạt đến GHz. Tần số radio bình thường ở MHz và băng tần MHz đã dày đặc những ứng dụng truyền thông. Ngoài ra các đòi hỏi ứng dụng hiện đại như điện thoại di động hay những máy phát thu sóng tivi hay sóng âm thanh phát từ vệ tinh hay các dụng cụ nano điện tử (nano-electronics) cần đạt đến GHz cho sự chuyển tải nhanh chóng. Theo dự đoán của các chuyên gia thì graphene sẽ dần dần thay thế các chất bán dẫn truyền thống trong transistor tần số cao và xu hướng này sẽ thấy rõ vào năm 2021 [19]. Cuộc chạy đua vẫn tiếp diễn ngoạn mục và graphene vẫn là một tay đua tầm cỡ. 4. Cơ tính và gia cường Trước khi bàn đến cơ tính và những ứng dụng gia cường của graphene chúng ta hãy mở ngoặc nói về độ cứng và và độ bền của vật liệu. Alan A. Griffith (1893-1963) một kỹ sư người Anh đã đưa ra một phép tính đơn giản để tính độ bền lý thuyết của chất rắn. Nhìn từ thang nguyên tử sự gãy nứt phát sinh từ việc cắt đứt của các liên kết hóa học bởi một tác lực. Từ nhận thức đơn giản này Griffith đã có một ý tưởng tuyệt vời là khi vật liệu gãy nứt thì sẽ phát sinh ra hai bề mặt mới nên độ bền có liên quan trực tiếp đến năng lượng bề mặt mà không cần biết vật liệu được làm bằng chất liệu gì, kết tinh hay vô định hình. Như vậy, năng lượng căng (strain energy) gây ra bởi lực kéo tác động trên vật liệu tương đương với năng lượng bề mặt để cho ra công thức: σ = (EG/a)1/2 (1) σ là độ bền hay là ứng suất tại điểm gãy nứt (stress at break), E là môđun Young, G là năng lượng bề mặt và a chiều dài của nối kết nguyên tử. Chất rắn thường có năng lượng bề mặt khoảng 1 J/m2 và a ~ 0,2 nm (2 Angstrom). Dùng những con số này độ bền lý thuyết để làm gãy nứt vật liệu theo sự tính toán của Griffith nằm trong khoảng E/5 cho đến E/10 cho mọi chất rắn. Như vậy, độ cứng (môđun Young) hay độ bền lý thuyết đều quy về một mối; đó là độ bền của các liên kết nguyên tử. Griffith cho ra một công thức đơn giản nối kết những biến số vĩ mô (môđun Young, năng lượng bề mặt) với biến số vi mô (khoảng cách giữa hai nguyên tử) để thống nhất sức bền vật liệu. Trong thực tế đời thường như chúng ta biết chất rắn có độ bền khác nhau. Thậm chí, cùng một chất rắn độ bền (độ gãy nứt) cũng khác nhau nếu phương pháp sản xuất khác nhau và kích thước khác nhau. Từ trực cảm của mình, Griffith làm một thí nghiệm đơn giản. Ông kéo sợi thủy tinh có đường kính khác nhau rồi đo độ bền của chúng. Những sợi thủy tinh có đường kính to (milimét) rất dễ gãy nứt. Khi đường kính sợi thủy tinh càng nhỏ tiến đến micromét (1/1.000 mm) thì độ bền tăng vọt và gần đạt đến độ bền lý thuyết. Griffith đưa ra kết luận là khi thủy tinh được kéo thành sợi càng nhỏ thì càng ít tì vết vì thế độ bền gia tăng [20]. Kết luận này đúng cho mọi chất rắn khác. Kết quả thí nghiệm của Griffith trở nên một dữ liệu cổ điển được đưa vào sách giáo khoa về cơ học gãy nứt và càng được thực chứng bởi các loại sợi hiện đại có đường kính ở kích cỡ nanomét. Kinh nghiệm cắt kính thủy tinh hay gạch men cho ta thấy rất khó bẻ đôi tấm kính hay viên gạch men nếu ta không dùng con dao sắt tạo ra tì vết trên mặt kính hay gạch. Tì vết nhỏ và sắc thì dễ bẻ hơn tì vết to và cùn. Như thế độ bền (độ gãy nứt) trong thực tế không tùy vào độ bền lý thuyết của các nối nguyên tử được biểu hiện qua E (phương trình 1) mà tùy vào những tì vết của vật liệu. Tì vết có thể là một vết trầy xước vĩ mô trên bề mặt do sự va chạm bên ngoài hay những khuyết tật vi mô gây ra bởi quá trình sản xuất hay các khuyết tật "bẩm sinh" ở thang phân tử nằm trong các phản ứng hóa học khi hình thành vật liệu. Khi có một tác lực từ bên ngoài những tì vết này sẽ trở thành điểm nhấn chịu ứng suất rất to và từ đó tì vết nhỏ sẽ khuếch đại thành tì vết lớn đưa đến sự gãy nứt và sau đó sụp đổ toàn diện. Trở lại chuyện graphene. Trên mặt phẳng graphene cứ hai nguyên tử carbon thì sở hữu một diện tích lục giác. Từ đó ta có thể tính được mật độ của mặt phẳng graphene (một lớp graphene) là 0,76 mg/m2 (Phụ lục 4). Như vậy, một tấm phim graphene có độ dày của một nguyên tử rộng 1 m2 chỉ nặng bằng một sợi tóc. Và 1 gram của phim này phủ một diện tích là 2 630 m2 tương đương với diện tích của 10 sân quần vợt, một con số cực kỳ lớn cho 1 gram vật liệu (Phụ lục 4). Độ bền hay là lực cần thiết để làm thủng tấm phim này là 42 N/m và độ cứng là 342 N/m [21]. Để có thể so sánh với các vật liệu thông thường 3 chiều, đơn vị N/m (Newton/mét) được chuyển thành N/m2 (= Pa = Pascal). Như vậy, độ bền của graphene 42 N/m trở thành 125 GPa và độ cứng 342 N/m trở thành 1020 GPa (Phụ lục 5). Để có thể dễ dàng hình dung được độ bền này hãy liên tưởng đến phim plastic trong suốt dùng trong nhà bếp để bao thức ăn. Phim này có độ dày khoảng 100 µm và nếu nó là graphene thì lực để làm thủng bằng một vật nhọn là 2 000 kg tương đương với 2 chiếc xe hơi. Người ta thường dùng thép như là một tiêu chuẩn so sánh. Bảng 1 cho thấy graphene có cơ tính tương tự như ống than nano nhưng độ bền lớn hơn thép 100 lần cho và độ cứng 5 lần. Bảng 1: So sánh cơ tính giữa thép và các vật liệu carbon Vật liệu Độ bền (GPa) ** Độ cứng* (GPa) ** Thép 0.25 – 1.2 203 Ống than nano 80 - 150 1000 Graphene 125 1020 Kim cương 60 – 225 1220 Poly(methylmethacrylate) 0,06 2,5 * Còn gọi là môđun Young (Young's modulus) ** GPa (Giga Pascal) = 109 Pa. MPa (Mega Pascal) = 106 Pa. Sự so sánh với thép đã trở thành một thông lệ trong các bài báo cáo từ nhiều năm nay mặc dù rất khập khiễng thậm chí sai lạc vì graphene cũng như ống than nano dùng trong sự đo đạc có một cấu trúc toàn bích không khuyết tật trong khi kết quả của thép được ghi lại từ những mẫu thép "đời thường" có tì vết ở mức vĩ mô và khuyết tật ở mức phân tử. Như đã đề cập bên trên, độ cứng (môđun Young) và độ bền liên hệ trực tiếp đến các liên kết nguyên tử của vật liệu và tì vết. Vì những mẫu đo đạc là những vật liệu toàn bích, độ bền và độ cứng của ống than nano, graphene và kim cương trong Bảng 1 mang những con số tương tự phản ánh độ bền của tập hợp liên kết cộng hóa trị carbon – carbon của những vật liệu này. Điều quan trọng ở đây cho thấy là graphene hay ống than nano phải được chế tạo với một cấu trúc không khuyết tật mới có thể đạt tới một cơ tính tối đa hữu ích trong việc gia cường cho các loại polymer. Composite (vật liệu phức hợp) chế tạo từ chất nền polymer và các loại sợi gia cường (thủy tinh, Kevlar, carbon) đã mở màn một thế hệ vật liệu mới ở thập niên 60 của thế kỷ trước mà ảnh hưởng của nó vô cùng sâu rộng trong mọi lĩnh vực công nghiệp ngày nay. Các loại vật liệu nano như ống than nano và graphene đã được dùng như thành phần gia cường đã tạo một ngõ rẽ quan trọng trong địa hạt composite; đó là nano composite. Gia cường cần hai yếu tố chính để composite đạt được cơ tính tối đa. Yếu tố thứ nhất là vật gia cường cần phải được phân tán một cách hiệu quả. Trong trường hợp lý tưởng nhất, graphene phải được phân tán thành từng mảnh. Thí dụ, poly(methylmethacrylate) là một loại plastic trong suốt rất thông dụng nhưng dễ gãy nứt (Bảng 1). Nếu ta có thể phân tán 1% graphene trong polymer này độ cứng sẽ tăng 5 lần (từ 2, 5 đến 12,7 GPa) và độ bền đến 22 lần (0,06 đến 1,25 GPa) (Phụ lục 6) mà độ trong suốt vẫn không suy giảm. Trong thực tế, lực van der Waals khiến cho ống than tập trung lại giống như cụm tóc rối và các graphene cũng có khuynh hướng chồng chập trở lại trạng thái graphite. Cơ tính của trạng thái kết tập này không còn ưu việt như của từng ống nano hay từng mảnh graphene. Hiện nay, việc phân tán graphene (hay ống than nano) trong chất nền vẫn còn là một chướng ngại lớn để sản xuất một nano composite có cơ tính ưu việt. Yếu tố thứ hai là những nhóm chức (functional group) để tác dụng với chất nền polymer tạo các liên kết cộng hóa trị để móc graphene vào chất nền [22]. Chức hóa (functionalization) có thể giải quyết tương đối dễ dàng với các phương pháp hóa học nhưng các phản ứng chức hóa có thể gây khuyết tật trên mạng graphene làm giảm cơ tính của graphene. Ngoài ra, sợi là một vật liệu không thể thiếu trong gia cường. Thiên nhiên đã biết kéo sợi kể từ khi có sự sống xuất hiện trên hành tinh này. Tằm cũng như nhện sản xuất ra tơ. Lụa tơ tằm từ xưa đã đem lại cho con người sự thoải mái cũng như phong cách quý phái. Tơ nhện không cho một cảm giác trang trọng như tơ tằm có lẽ vì sự gớm ghiếc của con nhện hay màng nhện ma quái thường được nhà làm phim phóng đại để làm lạnh xương gáy. Từ góc nhìn khoa học, tơ nhện có độ bền siêu việt và gần đây đã trở nên một đề tài nghiên cứu hấp dẫn. Chế tạo sợi có độ bền, dai siêu việt là một điều mong ước hay là nỗi ám ảnh của con người từ ngàn xưa. Từ thời nguyên thủy con người đã biết bện dây từ vỏ cây, kéo sợi kim loại từ thời đồ đồng, đồ sắt cho đến thủy tinh và các loại polymer của thời hiện đại. Ngày nay, sợi polymer Kevlar và các loại sợi khác như thủy tinh, carbon, polyethylene đánh dấu một cột mốc quan trọng trong sự phát triển tơ sợi công nghiệp tiên tiến. Sự bền chắc và nhẹ cân của các vật liệu hữu cơ trở thành một yếu tố quan trọng trong các ứng dụng cấu trúc mà kim loại đã từng làm vua một thời như trong thân máy bay, tàu bè. Một ứng dụng quan trọng khác của sợi là tạo ra áo giáp chống đạn và composite chống sức công phá của chất nổ. Trong ứng dụng gia cường người ta dùng độ dai (toughness) như là tiêu chuẩn. Độ dai là năng lượng cần để làm gãy nứt hay phá hủy vật liệu, có thể xem như là tích số của độ bền (stress) và độ căng (strain). Như vậy, một vật liệu lý tưởng cho việc gia cường, chống va đập và công phá cần có độ bền cao và độ căng dài. Miếng bánh qui có độ bền nhỏ và độ căng thấp nên giòn dễ gãy. Thủy tinh có độ bền cao (~ 500 MPa) nhưng độ căng thấp (<0.1%), các loại plastic hay cao su có độ bền thấp (50 MPa) nhưng độ căng dài (20 - 800 %), giữa hai đối cực này là thép có độ bền cao (~ 1000 MPa) và độ căng dài (~ 40%). Thép là vật liệu thông dụng nhờ vào những đặc tính này nhưng quá nặng cho nhiều áp dụng nên Kevlar, một vật liệu polymer đặc biệt được ưa chuộng vì độ dai rất cao (Bảng 2). Áo giáp và nón cối hiện đại chống đạn và các vật liệu chống công phá phần lớn dùng sợi truyền thống như sợi Kevlar hay sợi carbon. Tuy nhiên, cùng là vật liệu hữu cơ nhưng độ dai của Kevlar (150 MJ/m3) vẫn chưa đạt đến độ dai của tơ nhện (214 MJ/m3) (Bảng 2). Qua 400 triệu năm tiến hóa, sợi thiên nhiên vẫn là niềm hãnh diện của tạo hóa mà sợi nhân tạo vẫn chưa có thể vượt qua về độ dai. Nhưng liệu sợi làm từ ống than nano và graphene có thể phá vỡ kỳ tích này? Bảng 2: So sánh cơ tính các loại sợi Vật liệu Độ bền (GPa) Độ dai (MJ/m3)* Độ cứng (GPa) Tài liệu tham khảo 1. Kevlar 5 150 70 - 130 24 (Cheng) 2. Thép 0,25 – 1,2 – 203 Wikipedia 3. Tơ nhện 1,7 214 5-10 25 (Porter) 4. Sợi CNT 1,4 60 17,5 26 (Tran) 5. CNT/PVA** (60:40) 1,8 1500 80 27-28 (Dalton) 6. Graphene (3%)/PVA 0,04 30 1,2 29 (Zhao) 7. Graphene/CNT/PVA (15:15:70) 0,7 2000 3,5 30 (Shin) 8. Graphene paper 0,3 14 42,3 31 (Chen) 9. Graphene Ca2+ 0,5 17 11.2 32 (Xu) * MJ (Mega Joule) = 106 Joule Hình 6: Sợi ống than nano bằng phương pháp trực tiếp kéo sợi từ "cánh đồng" ống nano [23]. Kéo sợi từ những ống nano hay hạt, mảnh li ti của graphene lập tức lọt vào tầm nhìn của các nhà nghiên cứu tơ sợi dù việc thực hiện còn rất khó khăn. Qua một sự kiện tình cờ, nhóm Baughman (Đại học Texas, Mỹ) đã kéo được sợi từ các ống than nano như các cây lúa mọc thẳng trên cánh đồng [23] (Hình 6). Trong phương pháp kéo sợi việc sắp thẳng hàng (alignment) các ống than hay mảnh graphene theo chiều kéo là điều kiện tiên quyết để có sự bền dai. Tiến sĩ Trần CD đã triển khai và hệ thống hóa phương pháp kéo bằng cách dùng lực căng để sắp các ống than đồng nhất theo hướng kéo và đồng thời loại trừ những vướng víu (entanglement) giữa các ống nano trước khi bện thành sợi [26]. Sợi của Trần CD và cộng sự có độ bền và độ dai tăng gấp đôi so với sợi bện từ những ống than nằm hỗn độn có nhiều vướng víu (Bảng 2). Vì bản chất hai chiều việc kéo sợi graphene phải thực hiện từ dung dịch. Nhóm Xu (Đại học Triết giang, Trung Quốc) đã dùng những mảnh graphene to (kích cỡ µm) để giảm thiểu khuyết tật phần rìa mảnh và nối kết các mảng bằng ion có hoá trị hai (Ca2+, Cu2+) (Hình 7). Tóm lại, quá trình kéo sợi ống than nano hay graphene chẳng qua là việc tạo nên một trạng thái kết tập thẳng hàng để tận dụng cơ tính tuyệt vời của ống than hay mảnh graphene. (a) (b) (c) (d) Hình 7: (a) Sự sắp xếp thẳng hàng của sợi ống than nano; (b) các mảnh graphene nhỏ; (c) các mảnh graphene to và (d) quá trình kéo sợi graphene tự dung dịch [32]. Từ kinh nghiệm kéo sợi ống than nano và graphene, một nhóm nghiên cứu quốc tế từ Úc, Mỹ và Hàn Quốc đã nghĩ ra một cách tiếp cận mới là tạo ra một hỗn hợp ống than nano và graphene trong chất nền polymer (poly vinylalcohol) (PVA) rồi kéo thành sợi [30]. Kết quả vượt qua sự mong đợi của nhóm là độ dai của sợi composite là 2.000 MJ/cm3 lớn nhất từ trước đến nay (Bảng 2, vật liệu 7), to gần 10 lần tơ nhện (214 MJ/cm3) và 13 lần sợi Kevlar (150 MJ/cm3). Ngoài nguyên tắc chính trong việc kéo sợi là sự sắp thẳng hàng theo trục kéo những mảnh graphene hành xử như một tấm chắn ngăn chặn và làm cùn mũi nhọn vết nứt ngay từ thang phân tử (Hình 8). Phương pháp làm cùn vết nứt là một cơ chế gia tăng độ dai của vật liệu. Hình 8: Vết nứt bị graphene làm cùn mũi ngăn chặn tiến trình vết nứt [30]. Tiếc rằng sợi làm từ graphene, ống than nano hay hỗn hợp giữa graphene và ống than nano trong dung dịch PVA chỉ có giá trị hàn lâm, chứng tỏ tiềm năng nhưng không có giá trị thực tế bởi PVA là một chất dính có thể hòa tan trong nước. Việc thay thế PVA bằng một polymer không hòa tan trong nước cho đến nay vẫn chưa được thực hiện thành công. Rõ ràng, Bảng 2 cho thấy các loại sợi truyền thống (Kevlar, carbon, thủy tinh) vẫn là sản phẩm được ưa chuộng trong việc gia cường nhờ vào giá cả hợp lý và sản xuất đại trà. Khác với công nghiệp điện tử, công nghiệp gia cường không đòi hỏi ống than nano hay graphene phải cực kỳ tinh chất, cấu trúc chính xác đến thang phân tử nên là một lĩnh vực được doanh nghiệp chú trọng. Ngày nay ống than nano dần dần chen chân vào thị trường gia cường với số lượng sản xuất gia tăng đến vài trăm tấn mỗi năm [33]. Graphene là người em đến muộn nhưng nó có nhiều điều kiện dễ dàng hơn ống than nano trong việc sản xuất. Người ta đang nhắm đến việc sản xuất những mảng graphene to 10 µm có độ cứng (mô đun Young) 250 GPa với giá $40/kg cho việc kéo sợi và gia cường [19]. Nếu đạt được yêu cầu này nano composite chứa graphene sẽ xuất hiện một ngày không xa. 5. Tụ điện Tụ điện là một linh kiện điện học dùng để nạp điện, tích điện và phóng điện khi cần thiết. Do bản chất, kích cỡ của tụ điện thường rất cồng kềnh và nặng cân. Để chứa một năng lượng điện tương đương với cục pin AA (cỡ ngón tay út) tụ điện cần một không gian vài ngàn lần to hơn (Phụ lục 7). Cũng như transistor, tụ điện cần phải được thu nhỏ và gia tăng hiệu suất để đáp ứng với nhu cầu của các dụng cụ điện tử hiện đại. Ngoài ra, điều kiện hoạt động lý tưởng của tụ điện là nạp điện nhanh, tích điện to và phóng điện nhanh. Những đòi hỏi này đã đẩy mạnh sự ra đời của siêu tụ điện (super-capacitor). Tụ điện và pin cùng có chức năng chứa năng lượng. Nhưng pin phóng điện từ từ trong khi tụ điện cần phóng điện thật nhanh. Chiếc đèn chớp của máy ảnh kỹ thuật số là một ứng dụng của siêu tụ điện. Mỗi lần chớp sáng là do sự phóng điện thật nhanh từ siêu tụ điện. Sau đó siêu tụ điện nhanh chóng nạp điện từ nguồn điện của pin rồi sẵn sàng cho ánh chớp kế tiếp. Siêu tụ điện còn được cài đặt trong dụng cụ cầm tay như chiếc điện thoại thông minh cực kỳ hiện đại cho đến phương tiện to lớn như xe hơi chạy bằng điện. Những cú đạp tăng tốc xe hơi cần sự phóng điện thật nhanh nhả ra một lượng điện thật nhiều để đẩy mạnh xe đi tới. Siêu tụ điện quả là một linh kiện có thị trường rộng lớn và tiềm năng doanh thu dồi dào. Cơ sở lý luận cho việc chế tạo siêu tụ điện tương đối đơn giản. Đặc tính của tụ điện được diễn tả bằng điện dung C và có công thức như sau, C = εA/d (2) trong đó ε là hằng số điện môi, A là diện tích của điện cực và d là khoảng cách giữa hai điện cực. Vì vậy, để điện có thể "tụ" ở mật độ cao (điện dung C cao), ε phải lớn, A rộng và d nhỏ. Trong ba biến số này thì sự lựa chọn vật liệu có hằng số điện môi to ε có nhiều khó khăn, độ dày d chỉ có thể giảm đến một giới hạn nhất định. Chỉ có diện tích bề mặt A là một biến số có nhiều khả năng làm gia tăng. Như vậy điện cực cần một bề mặt rộng nhưng điều này tương phản với đòi hỏi thu nhỏ của tụ điện. Để giải quyết khó khăn này các điện cực kim loại của tụ điện được phủ lên lớp than xốp (porous) hoạt tính. Lớp than xốp sẽ gia tăng diện tích bề mặt từ 10.000 đến 100.000 lần nhiều hơn nhờ sự gia tăng của các lỗ vi mô. Hiện nay, siêu tụ điện có điện cực than xốp hoạt tính đang là một sản phẩm thông dụng trên thị trường. Mạng graphene một lớp có diện tích bề mặt là 2.630 m2/g (tương đương 10 sân quần vợt). Diện tích bề mặt graphene lớn hơn than xốp hoạt tính 10 lần. Đây là một con số cực kỳ lớn và có lẽ là con số tối đa mà không có một vật liệu nào có thể vượt qua. Nhóm nghiên cứu tại đại học Texas (Mỹ) đã chế tạo siêu tụ điện graphene nhẹ cân kích cỡ nhỏ có dung lượng 135 Farah/g [34]. Nếu so với tụ điện cổ điển có dung lượng 1 Farah có chiều cao 20 cm và nặng 2 kg thì đây là một bước nhảy vọt. Tuy nhiên, vì là mẫu thí nghiệm đầu tiên dung lượng của siêu tụ điện graphene vẫn còn thấp so với con số lý thuyết là 550 Farah/g. Các doanh nghiệp dự đoán siêu tụ điện graphene sẽ xuất hiện trong vòng 5 đến 10 năm tới. 6. Bộ cảm ứng Một tiềm năng ứng dụng khác của graphene là vật liệu cho bộ cảm ứng để "cảm" các loại hoá chất. Bộ cảm ứng có ứng dụng quan trọng cho việc phát hiện các hóa chất, khí độc, độc tố hay phân tử sinh học trong công nghệ, môi trường và quốc phòng. Ba năm sau khi xuất bản bài báo cáo Nobel, nhóm nghiên cứu Geim và Novoselov lại tung ra một bài báo cáo khác [35] công bố bộ cảm ứng graphene đầu tiên có thể cảm được một phân tử thể khí. Điều này tương tự như ta thả một hạt cát làm dao động mặt hồ! Như vậy, mặt hồ phải thật tĩnh lặng không bị nhiễu bởi những làn gió thổi thì mới nhận ra sự va chạm của hạt cát. Graphene là một vật liệu "tĩnh lặng" ít bị nhiễu điện học. Nhờ vậy tác động của phân tử khí trên mạng graphene sẽ gây sự dao động độ dẫn điện của mạng mà nhóm Geim và Novoselov đã có thể đo được. Hình 9: Bộ cảm ứng graphene thực dụng [36]. Gần đây, nhiều bộ cảm ứng "thế hệ mới" được chế tạo từ polymer dẫn điện, ống than nano và dây nano (nanowire) có độ nhạy cảm đạt đến hàm lượng một phần tỷ (par per billion). Nhưng độ nhạy đạt đến một phân tử của bộ cảm ứng graphene là độ nhạy của sự tột cùng. Nguyên nhân thứ nhất cho độ nhạy tột cùng này là hình dạng 2 chiều của graphene. Thứ hai, graphene có độ dẫn điện tốt tương đương với kim loại. Thứ ba, graphene rất ít khuyết tật nếu được tổng hợp đúng phương pháp. Nhưng ở thời điểm hiện tại bộ cảm ứng graphene của nhóm Geim và Novoselov chưa là một công cụ thực tế bởi vì nó thiếu tính lựa chọn, có thể "cảm" cùng lúc với nhiều khí khác nhau. Bộ cảm ứng cho thực dụng phải được thiết kế để cảm nhận một chất mà thôi. Ngoài ra, bộ cảm ứng của nhóm Geim và Novoselov dùng graphene từ lớp bong của phương pháp "dán bóc" rất ít khuyết tật nhưng không thuận lợi cho việc sản xuất đại trà. Dù sao độ nhạy tột cùng của graphene mang đến nhiều hứng khởi cho các nhà hóa học vì họ có thể tổng hợp các nhóm chức (functional group) gắn vào mạng graphene và nhóm này chỉ tác dụng với phân tử khí hay phân tử sinh học đặc thù nào đó. Việc thực dụng hóa bộ cảm ứng đang được nhiều nhóm nghiên cứu triển khai với graphene tổng hợp bằng phương pháp hóa học. Thí dụ, một phát minh về bộ cảm ứng graphene do sự hợp tác giữa Rensselaer Polytechnic Institute và Viện Hàn lâm Khoa Học Trung Quốc có thể áp dụng trong một tương lai gần nhờ vào sự đơn giản và ít tốn kém trong sản xuất. Bằng một phương pháp độc đáo họ phủ graphene lên chất nền xốp (porous) nickel, sau đó loại bỏ nickel để chừa lại vật liệu graphene với những lỗ nhỏ li ti 100 micro mét (0,1 mm) (Hình 9). Thể xốp graphene này có thể phát hiện khí ammonia (NH2) và nitrogen dioxide (NO2) ở độ nhạy 20 ppm. Mặc dù không có độ nhạy tột cùng như bộ cảm ứng của nhóm Geim và Novoselov bộ cảm ứng graphene vẫn hơn các thương phẩm vài mươi lần [36]. Bộ cảm ứng này có thể áp dụng để tìm mìn trong lòng đất và đo cường độ ô nhiễm môi trường. 7. Các ứng dụng khác Sự cảm ứng không dừng ở các phân tử khí hay sinh học, graphene còn tương tác với sóng điện từ. Nguyên tố silicon và các nguyên tố bán dẫn khác cũng tương tác với sóng điện từ nhưng phần lớn trong vùng hồng ngoại. Cũng như polymer dẫn điện và ống than nano, graphene cảm ứng với sóng điện từ trải dài từ vi ba, sóng tetrahertz, tia hồng ngoại, ánh sáng khả thị và tia tử ngoại. Đây là một băng tần rất rộng có bước sóng kéo dài từ centimét (vi ba) đến vài trăm nanomét (tia tử ngoại). Vì lợi thế 2 chiều, graphene vượt hẳn polymer dẫn điện và ống than nano về cường độ tương tác với sóng điện từ. Cơ cấu tác động của các photon (quang tử) lên các chất bán dẫn vô cơ đã được hiểu rất rõ từ những nghiên cứu hơn nửa thế kỷ qua nhưng kho tri thức này không thể vận dụng một cách máy móc vào chất hữu cơ như polymer dẫn điện, ống than nano và đặc biệt là graphene. Vì vậy cho đến nay vẫn chưa có cơ cấu nào giải thích tại sao photon có thế tác động các vật liệu hữu cơ dẫn điện trên một băng tần rộng có bước sóng khác nhau hằng trăm ngàn lần (từ centimét đến vài trăm nanomét) [37]. Dù có sự thiếu vắng một lý thuyết dẫn đường, các nhà vật lý và kỹ sư điện tử vẫn tích cực tìm kiếm những ứng dụng hữu ích của graphene trong quang điện tử học [38]. Một đặc tính khác của graphene là có cường độ tác động rất cao với sóng terahertz. Sóng terahertz là một vùng sóng hẹp khiêm tốn nằm giữa vi ba và hồng ngoại. Vi ba (radar) và hồng ngoại (nhiệt) đã được nghiên cứu nhiều trong việc thu phát, cảm nhận, hấp thụ sóng nhưng terahertz hầu như bị quên lãng cho đến khi có nhu cầu phòng ngừa khủng bố tại phi trường. Sóng terahertz có thể nhìn xuyên thấu qua vải vóc, plastic nhưng bị hấp thụ bởi kim loại và hợp chất vô cơ nên là một loại sóng dùng để phát hiện vũ khí, chất nổ dấu trong người hay hành lý. Sự tương tác giữa graphene và sóng terahertz cho thấy tiềm năng dùng graphene trong các bộ cảm ứng terahertz chống khủng bố trong tương lai. Như đã đề cập, graphene không vùng cấm là một thất vọng cho việc thay thế silicon trong transistor nhưng đây lại là một niềm hy vọng lớn trong việc chế tạo pin mặt trời. Silicon hiện là một vật liệu thông dụng làm pin mặt trời. Hiệu suất chuyển hoán từ năng lượng mặt trời thành điện năng của pin mặt trời silicon không hơn 15 % vì silicon có vùng cấm chỉ bao phủ một phần của quang phổ mặt trời. Để tạo pin có năng suất chuyển hoán cao ta phải dùng một loạt chất bán dẫn có vùng cấm khác nhau để hấp thụ năng lượng photon của toàn thể quang phổ, nghĩa là từ tia hồng ngoại đến tia tử ngoại. Việc này khả thi nhưng giá cả của thành phẩm sẽ cao ngất ngưởng. Vì không có vùng cấm, graphene có thể thoải mái hấp thụ năng lượng photo ở mọi tần số trong quang phổ mặt trời. Hy vọng rằng pin mặt trời graphene sẽ chiếu sáng tương lai. 8. Tổng hợp Sự thành công hay thất bại trong ứng dụng của một vật liệu tùy vào khả năng tổng hợp để sản xuất số lượng lớn ở mức công nhiệp, phẩm chất đồng nhất và giá cả hợp lý. So với ống than nano, việc sản xuất graphene nhiều thuận lợi vì ít yếu tố hạn chế hơn. Sự thuận lợi thấy rõ trong việc tạo một vài lớp graphene bằng phương pháp "dán bóc" với băng keo đơn giản đến kinh ngạc. Nếu phương pháp thủ công "dán bóc" được lặp đi lặp lại nhiều lần thì cũng tạo được vài mảnh li ti graphene một lớp trong một vài giờ. Nhưng việc sản xuất đại trà của graphene không thể nào theo thủ thuật "dán bóc" của Geim và Novoselov mặc dù đây là phương pháp đơn giản nhất tạo graphene một lớp có cấu trúc toàn bích. Cũng như ống than nano, chất lượng graphene tùy vào phương pháp tổng hợp. Vật liệu dùng trong công nghiệp điện tử phải thỏa mãn yêu cầu về độ tinh khiết và yêu cầu có cấu trúc không khuyết tật. Tinh thể silicon dùng để chế tạo transistor có độ tinh khiết là 99,999999999% (11 số 9). Sự thành công của silicon trong lĩnh vực điện tử nhờ vào hai yếu tố trên. Graphene áp dụng trong các công cụ điện tử cũng đòi hỏi hai yêu cầu này. Ngoài ra, số lớp trong graphene phải được kiểm soát chặt chẽ theo yêu cầu của mỗi ứng dụng và diện tích của các mảnh graphene càng rộng càng tốt vì rìa mảnh graphene từ bản chất là khuyết tật. Diện tích to nhất hiện nay là µm và đang tiến tới 10 µm. Vì vậy, chế ngự phẩm chất ở đến mức phân tử trong quá trình sản xuất là một việc phức tạp cần nhiều đầu tư và thời gian. Tuy nhiên, trong các ứng dụng như gia cường, bộ cảm ứng, tụ điện hay các ứng dụng sinh y nhu cầu chất lượng ít khe khắt nên việc tổng hợp graphene sẽ thoải mái hơn. Năm 2008 những mảnh graphene li ti vài micromét vuông nhỏ hơn tiết diện sợi tóc được hãng Graphene Industries (Anh Quốc) làm theo thủ thuật "bóc dán" (bóc tách cơ học) cho các ứng dụng điện tử bán với giá trung bình 1.000 đô la (khoảng 100 triệu đô la cho 1 mm2); trở thành một trong những vật liệu đắt giá nhất hành tinh. Haydale là một hãng nhỏ (start-up company) chuyên tổng hợp graphene phẩm chất cao cho ngành điện tử thay cho phương pháp "bóc dán" thủ công [39]. Haydale nghiền than chì cho ra những mảnh nhỏ kích cỡ micromét và độ dày vài mươi nanomét thành những mảnh graphene khoảng 100 lớp. Haydale có thể tách mỏng hơn cho đến một vài lớp graphene cho từng mảnh bằng plasma. Phương pháp sản xuất "khô" plasma của Haydale cho nhiều ưu điểm vì graphene không bị acid gây khuyết tật như các phương pháp "ướt" hóa học. Một ưu điểm khác là graphene chế tạo bằng phương pháp Haydale có thể dễ dàng gắn các nhóm chức (functional group) thích hợp cho từng ứng dụng. Thí dụ, nhóm chức giúp graphene phân tán (disperse) hay nối kết với chất nền polymer tạo ra nano composite gia cường hay các dung dịch huyền phù cho mực in dùng để in các mạch điện vi mô. Mảnh graphene của Haydale có thể dùng trong pin mặt trời hay trong điện cực của pin lithium nhằm gia tăng tuổi thọ của pin. Một phương pháp khác là "ngưng đọng hơi hoá học" (chemical vapour deposition, CVD) dùng lò cao nhiệt giống như phương pháp tổng hợp ống than nano. Đồng được dùng như chất nền (substrate) đun nóng lên ở nhiệt độ 800 – 1.000 °C và nguồn carbon được thổi qua chất nền, cấu tạo graphene sẽ được thành hình trên mặt đồng. Có nhiều nguồn cung cấp carbon nhưng đơn giản nhất là khí methane. Thậm chí có một nhà nghiên cứu đã dùng chân con gián làm nguồn cung cấp nguyên tố carbon và tổng hợp thành công graphene. Sự kiện ngộ nghĩnh này cũng giống như vài năm trước báo chí Việt Nam loan tin việc chế tạo ống than nano từ bã mía bã dừa. Điều này giải thích nguyên tắc chế tạo ống than hay graphene nhưng không phải là phương pháp tạo nên sản phẩm có chất lượng vì "rác bỏ đầu vào thì rác sẽ thải đầu ra". Đại học Sungkyunkwan (Hàn Quốc) dùng những thiết bị "ngưng đọng hơi hoá học" cao cấp để chế tạo những mảng phim graphene chất lượng cao trong suốt có chiều rộng 76 cm trên chất nền đồng. Sau đó đồng được khử đi để lộ ra mảng graphene tự do. Hãng điện tử Samsung đang thiết lập hệ thống dây chuyền để sản xuất phim graphene dùng trong các dụng cụ điện tử, quang điện tử hay phủ lên thủy tinh, tinh thể thạch anh (quartz) tạo nên lớp phủ dẫn điện cho màn hình cảm ứng (touch screen) [40]. Phương pháp tạo mạng graphene (epitaxial growth) trên chất nền silicon carbide (SiC) có lẽ là một phương pháp nhiều hứa hẹn để chế tạo dụng cụ điện tử và transistor. SiC cũng là vật liệu thông dụng trong công nghiệp điện tử. Nhất cử lưỡng tiện, SiC vừa là nguyên liệu tạo graphene vừa là chất nền cho vi mạch. Trong một lò cao nhiệt (1.000 °C), nguyên tố Si bị bốc hơi để lại phía sau mạng graphene chất lượng cao có cấu trúc với kích cỡ vài trăm micromét không khuyết tật. Nếu độ lớn của transistor là vài mươi nanomét ta có thể tạo ra một vi mạch chứa vài chục ngàn transistor graphene ngay trên chất nền SiC. Nhược điểm của phương pháp này là giá cả của SiC quá cao và lát (wafer) SiC quá nhỏ nên chỉ có thể áp dụng vào công nghệ cao như chế tạo transistor hoạt động ở băng tần GHz, THz như đề cập ở phần trên. Phương pháp của tiến sĩ Dan Li [41] (Đại học Wollongong, Úc) được xem như một phương pháp "ướt" hóa học tiện lợi vì trong hóa trình tổng hợp graphene nước là dung môi chính. Thay vì dùng động tác cơ học "bóc dán", than chì được tách ra bằng cách oxít hóa than chì biến graphene thành graphene oxide. Nguyên tử oxygen như một vật chêm chen vào khoảng giữa hai lớp graphene và khi khoảng cách lớp được nới rộng thì lực hút giữa hai lớp sẽ bị giảm đi nhanh chóng. Những động tác cơ học như siêu âm sẽ dễ dàng tách than chì thành mảnh graphene oxide dưới dạng huyền phù (suspension solution). Graphene oxide sẽ được khử để đưa trở lại dạng graphene. Phương pháp này có tiềm năng sản xuất đại trà do việc sử dụng nước trong quá trình sản xuất. Tuy nhiên, oxít hoá có thể hủy hoại mạng graphene hay gây khuyết tật. Dù rằng graphene có khuyết tật không thể đáp ứng những yêu cầu gần như tuyệt đối trong các ứng dụng điện tử nhưng chúng có thể dùng trong việc gia cường bộ cảm ứng, tụ điện hay điện cực pin. Hình 10 tổng kết các phương pháp tổng hợp graphene với chất lượng, giá cả và những ứng dụng. Hình 10: Các phương pháp chế tạo graphene và giá cả. (1) Ngưng đọng hoá học (CVD): chất lượng cao, giá trung bình, ứng dụng: lớp phủ, dụng cụ sinh học, lớp phủ dẫn điện trong suốt, dụng cụ điện tử, dụng cụ quang tử học.(2) Tách lớp cơ học: chất lượng cao, giá cao, ứng dụng: nghiên cứu, tạo mẫu.(3) Epetaxi graphene từ SiC: chất lượng cao, giá cao, ứng dụng: dụng cụ điện tử, transistor tần số cao. (4) Lắp ráp phân tử: chất lượng cao, giá cao, ứng dụng: dụng cụ điện tử nano. (5) Tách lớp hóa học: chất lượng thấp, giá thấp, ứng dụng: lớp phủ, composite, mực in, tích trữ năng lượng, dụng cụ sinh học, lớp phủ dẫn điện) [19]. 9. Thương mại hóa Graphene được xem như là vật liệu nhiều hứa hẹn của tương lai. Sau giải Nobel (2010) số bài báo cáo đã tăng vọt qua ngưỡng mười ngàn bài mỗi năm và số đăng ký phát minh cũng tăng theo hàm luỹ thừa. Danh sách ứng dụng của graphene rất dài [43] bao gồm mọi ngành khoa học từ sinh y học đến điện tử học với những áp dụng mang tính đột phá trong dân dụng cũng như quốc phòng. Những ứng dụng chính đã được đề cập bên trên nhưng các ứng dụng khác liên quan đến sinh y, năng lượng mặt trời, khử độc tố trong nước, tàng trữ hydrogen, sự tương tác với ánh sáng và sóng điện từ không được đề cập chi tiết vì vượt quá khuôn khổ bài viết. Thương mại hóa những thành quả nghiên cứu cơ bản là một trong những mục tiêu quan trọng của khoa học công nghệ. Nhưng sự chuyển biến từ thành quả hàn lâm đến công nghệ thực dụng không phải là con đường thẳng đầy hoa thơm cỏ lạ. Một phát hiện mới mang tính cách mạng xảy ra ở các đại học hay cơ sở nghiên cứu thường có một phong trào theo đuôi rầm rộ nhằm xin kinh phí cho các công trình nghiên cứu nối liền với nhiều hứa hẹn ứng dụng đổi đời. Các ứng dụng đề cập trong bài viết này chỉ là mẫu chế tạo trong phòng thí nghiệm, nên được xem như một "chứng cứ của tiềm năng" (proof of concept) hơn là thương phẩm. Thực tế cho thấy quá trình chuyển biến từ phòng thí nghiệm đến thương trường không những cần thời gian, tiền bạc, sự kiên nhẫn và thông minh mà cần hội đủ yếu tố "thiên thời, địa lợi, nhân hòa". Trong khi giới hàn lâm chú trọng đến số lượng bài báo cáo được đăng tải trên các tạp chí chuyên ngành, đến chất lượng tạp chí, lá cải hay quyền uy; thì mối quan tâm chính phủ và giới doanh thương là việc thương mại hóa các thành quả khoa học và làm ra tiền. Thường sau một thập niên khi sự háo hức ban đầu bắt đầu lắng đọng thì mọi người sẽ lùi một bước để thẩm định lại sự phát hiện bằng cái nhìn lạnh lùng của doanh nghiệp. Tóm lại, sự chuyển biến từ khoa học sang công nghệ chỉ thành công khi ba yếu tố kỹ thuật, kinh tế và mãi lực đồng thời được thỏa mãn. Trong hai thập niên qua những hợp chất mới thuần carbon như quả bóng C60, ống than nano và graphene lần lượt được phát hiện. Cứ mỗi lần phát hiện cộng đồng nghiên cứu khoa học hồ hởi đặt niềm tin vào những vật liệu này với mong ước gần xa rằng chúng sẽ cho những ứng dụng đột phá. Sự ra đời của quả bóng fullerene đã kích động không ít vào cộng đồng khoa học vì cái đẹp của cấu trúc hình học và tiềm năng ứng dụng của nó. Tuy nhiên, fullerene chỉ trở thành một vật liệu cho các công trình nghiên cứu cơ bản mà có lần tạp chí The Economist chua chát viết, "fullerene chỉ sản xuất những bài báo cáo hàn lâm". Mặc dù ngày nay fullerene đang có một chỗ đứng đặc biệt là được dùng trong pin mặt trời hữu cơ, nhưng tác động của nó vào công nghiệp vẫn chưa mang tới một dấu ấn rõ rệt. Việc phát hiện ống than nano làm bùng lên ngọn lửa nghiên cứu về vật liệu carbon sau những thất vọng về fullerene. Nhưng sau hơn 20 năm nghiên cứu với hàng chục tỷ đô la kinh phí và công sức của nhiều bộ óc tinh anh, ống than nano vẫn còn lấp ló ở ngưỡng cửa ứng dụng công nghệ. Ống than nano không đạt được yêu cầu đồng nhất của cấu trúc cần thiết cho các ứng dụng trong lĩnh vực điện tử. Thêm vào đó sự an toàn của ống than nano đã trở thành một đề tài tranh cãi và quan tâm từ nhiều năm nay. Gần đây (2012) những cơ quan về an toàn chức nghiệp như NIOSH (National Institute for Occupation Health and Safety) của Mỹ hay Safe Work Australia của Úc đã phát hành những tài liệu liệt kê ống than nano là một vật liệu gây tác hại (hazardous) có hiệu ứng làm viêm tế bào dẫn đến ung thư như miăng (asbestos). Những tài liệu cảnh báo này đã làm chùn bước tiến trình công nghiệp hoá và đã có vài công ty nổi tiếng tuyên bố từ bỏ việc thương mại hoá ống than nano. Người ta thường bảo "nhất hóa tam", sau fullerene và ống than nano graphene là vật liệu thứ 3; có khả năng nào "lần thứ ba thì gặp may"? Từ bài báo cáo năm 2004 đăng trên tạp chí quyền uy Science [3] đến giải Nobel Vật lý 2010 chỉ vỏn vẹn 6 năm, graphene được xem như một thành công chớp nhoáng. Theo đó, nghiên cứu graphene bùng nổ trong khuôn viên đại học Manchester nơi Geim và Novoselov làm việc, lan cả nước Anh và thế giới. Liệu graphene có thể tạo ra một đột phá trong các ứng dụng để làm giàu nền kinh tế, đem về lợi nhuận cho việc đầu tư của chính phủ vào các nghiên cứu hàn lâm? Cho đến nay cộng đồng nghiên cứu đã nhận được những tín hiệu tích cực. Về mặt tổng hợp, như đề cập bên trên đã có những phương pháp sản xuất đại trà dùng lò cao nhiệt hay tách lớp bằng phản ứng hóa học. Về mặt an toàn cho sức khoẻ dù graphene không bị liệt kê vào diện "vật liệu tác hại" (hazardous material) như ống than nano nhưng các thí nghiệm về tác dụng và độc tính của graphene trên mô sinh học đang được tiến hành nghiêm túc [42]. Về mặt đầu tư và kinh phí, gần như tức thời sau giải Nobel, chính phủ Anh đồng ý cấp 60 triệu đô la thành lập Viện Nghiên cứu Quốc gia Graphene (National Graphene Institute) tại đại học Manchester. Viện sẽ được khai trương vào năm 2015 và sẽ là trung tâm nghiên cứu ứng dụng biến các thành quả hàn lâm thành ứng dụng nhất là công nghiệp điện tử. Hội đồng khoa học châu Âu (European Commission) cũng đã chọn graphene là một đề tài nghiên cứu cho thập niên tới với kinh phí là 1 tỷ Euro. Những công ty tham gia vào đề án graphene này là các doanh nghiệp quốc tế nổi tiếng liên quan đến hàng không, điện tử và quốc phòng như Airbus, Alcatel Lucent, Nokia, Oxford Instruments và Thales. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc triển khai bộ cảm ứng, nano composite, công cụ điện tử tần số cao, công cụ điện tử mềm (flexible electronics) và liên quan đến năng lượng như việc tồn trữ hydrogen, pin mặt trời và pin điện hóa. Chính phủ Hàn quốc cũng nhanh tay đầu tư 20 triệu đô la vào việc nghiên cứu graphene cho các loại màn hình và dụng cụ điện tử. Nhiều đại học tại Hàn Quốc với sự tham gia của tập đoàn Samsung đã tuyên bố khả năng chế tạo đại trà những mảng graphene chất lượng cao cho lĩnh vực điện tử. Ba vấn đề lớn cần được giải quyết để thương mại hóa graphene là: (1) triển khai khả năng tổng hợp những mảng tinh thể to chất lượng cao; (2) chức hóa (functionalization) gắn những nhóm chức thích hợp cho từng ứng dụng và (3) tìm kiếm những ứng dụng đặc biệt cho graphene. Hạng mục (1) đã được chính phủ và doanh nghiệp đầu tư mạnh mẽ và đang có những thành quả nhất định. Hạng mục (2) tùy vào tài năng của các nhà hóa tổng hợp và các nhà vật lý. Chức hóa là yếu tố quan trọng cho gia cường, bộ cảm ứng, pin mặt trời, tích trữ năng lượng và nhất là việc mở ra một vùng cấm cho nhũng ứng dụng điện tử. Hạng mục (3) tùy vào tầm nhìn và chiến lược của chính phủ và doanh nghiệp. Có thể nói rằng trong tất cả mọi ứng dụng, công nghiệp điện tử là một lĩnh vực to lớn và mang đến nhiều doanh thu. Nó sẽ quyết định sự thành công của việc thực dụng hoá graphene. Những phát hiện liên tục của vật liệu hữu cơ dẫn điện và bán dẫn khởi đầu từ polymer dẫn điện vào thập niên 70 của thế kỷ trước, quả bóng fullenre vào thập niên 80, đến ống than nano và graphene ngày hôm nay đã hoàn thành cuộc cách mạng vật liệu làm thay đổi cuộc chơi (game changing) trong nhiều ứng dụng. Một trong những hệ quả của cuộc thay đổi lớn lao này là sự xuất hiện của các loại dụng cụ điện tử mềm (flexible electronics) như pin mặt trời hữu cơ, đèn LED hữu cơ, màn hình cảm ứng. Chúng sẽ nhẹ nhàng đi vào cuộc sống đời thường trong vài thập niên tới. Những ứng dụng quan trọng khác như tàng trữ năng lượng (tụ điện, pin), sản xuất năng lượng (pin mặt trời) và gia cường cho thấy các tiềm năng quan trọng của graphene. Trong một tương lai không xa những "chứng cứ tiềm năng" thú vị và nhiều hứa hẹn trong phòng thí nghiệm sẽ được doanh nghiệp đem lên bàn mổ soi xét. 10. Tương lai Từ ngàn xưa con người đã âm thầm ngưỡng mộ sự trật tự trong cấu trúc lục giác bằng sáp từ sự lao động miệt mài của những con ong thợ bé tí. Mãi đến thời cận đại con người mới biết rằng trong các cấu trúc hình học cấu trúc lục giác cho một sức bền tối đa nhưng được tạo với lượng nguyên liệu tối thiếu. Con người nhanh chóng áp dụng vào lĩnh vực xây dựng tạo những kiến trúc vòm lục giác chắc bền đẹp mắt đến việc chế tạo cánh phi cơ bên trong chứa một cấu trúc hình lục giác. Nếu người xưa đã từng ngưỡng mộ hình dạng của tổ ong thì ngày nay mạng lục giác của graphene là một mô hình mà các nhà khoa học muốn mô phỏng bằng cách dùng phân tử, nguyên tử hay hợp chất để tạo dựng các mạng lục giác có độ lớn từ vài nanomét đến milimét nhằm tận dụng và lặp lại các đặc trưng của graphene như việc không sở hữu vùng cấm, electron hành xử như hạt không trọng khối, sự di chuyển "đạn đạo" với tốc độ của 1/300 vận tốc ánh sáng và những hiệu ứng đặc thù tìm thấy trong lý tính, nhiệt tính, điện tính và quang điện tính của graphene [44]. Geim và Novoselov đã không cường điệu khi tiên đoán rằng cấu trúc lục giác hai chiều sẽ là "mỏ vàng" bất tận của các đề tài nghiên cứu hấp dẫn để cho các nhà nghiên cứu vật lý chất cô đặc và khoa học vật liệu tha hồ đào bới trong vài thập niên tới. Hình 11: Cấu trúc dị thể van der Waals được tạo ra bằng cách chồng những vật liệu khác nhau (graphene, hBN, MoS2, WSe2, fluorographene) giống như lắp ráp các mảnh Lego nhiều màu lại với nhau [45]. Graphene không là chất duy nhất có cấu trúc hai chiều. Những hợp chất vô cơ như boron nitride (BN), tungsten disulphite (WS2) và molydenum disulphite (MoS2) có một quá khứ khiêm tốn được dùng làm chất nhờn, hay các loại oxide như TiO2, MnO2 , V2O5 và nhiều hợp chất khác giờ đây cũng đã thăng hoa như graphene vì là những tinh thể hai chiều. Hàng chục ngàn bài báo cáo về graphene đã được xuất bản trong vài năm qua cho thấy nghiên cứu về graphene với cấu trúc giản đơn lục giác 2 chiều đã gần đạt tới đỉnh điểm và cái mới lạ cũng dần dà phôi pha. Hiện nay, những thủ thuật nano tách than chì ra từng lớp mỏng tạo graphene một lớp, hai lớp, ba lớp v.v... đã không còn quá khó khăn. Tuy nhiên, graphene sẽ là cột mốc cơ bản làm bệ phóng cho các chế biến ứng dụng, cho nghiên cứu của các vật liệu 2 chiều khác hay thiết kế một tập hợp các mặt phẳng nguyên tử với cấu trúc phức tạp hơn. Andre Geim tiếp tục cuộc hành trình tưởng tượng của mình đi tìm kiếm "vùng đất hứa mộng mơ" [45]. Chẳng hạn, như sắp đặt từng mạng graphene theo một trật tự nhất định để tạo một loại graphene có vùng cấm để có chức năng mở/đóng nhưng vẫn duy trì độ di động tuyệt vời nhằm thay thế silicon trong transistor tương lai. Hay là sắp mạng graphene chồng lên với các mặt phẳng nguyên tử khác như mạng MoS2 hay mạng BN, mà Geim và Grigorieva [45] ví von như một trò chơi "Lego nguyên tử". Chiếc "bánh kẹp" nhiều tầng chứa các bề mặt nguyên tử khác nhau giống như tập hợp những tấm Lego được nối kết bằng lực liên mạng van der Waals có tên gọi là "cấu trúc dị thể van der Waals" (van der Waals heterostructures) (Hình 11). Ý tưởng "cấu trúc dị thể" của Geim và Grigorieva là một thể loại composite ở thang phân tử, mặc dù thao tác nano bằng tay của các nhà vật lý không phải là phương pháp thích hợp để chồng chập các mạng lưới có độ dày một nguyên tử. Ở điểm này phương pháp tổng hợp khéo léo của các nhà hóa học sẽ được tận dụng để thay thế thao tác nano tạo ra những cấu trúc dị thể bằng những phản ứng hóa học hay thiết lập một môi trường tạo điều kiện cho các bề mặt nguyên tử khác nhau tự lắp ráp (self assemble). Đây cũng không phải là điều mới lạ vì các nhà hóa học từ hơn nửa thế kỷ qua đã tổng hợp các loại co-polymer hay block polymer từ những monomer khác nhau. Polymer là vật liệu 1 chiều. Liệu phương pháp tổng hợp một chiều có thể triển khai thành 2 chiều? Nếu việc này khả thi thì chúng ta sẽ có vô số lựa chọn cho "cấu trúc dị thể" với đặc tính chưa từng có để làm nên những dụng cụ độc đáo mà ngày nay chỉ thấy trong thế giới khoa học viễn tưởng. 11. Lời kết Graphene xuất hiện từ những thủ thuật thí nghiệm bình thường trên một vật liệu bình thường nhưng trí thông minh, sự tưởng tượng và lòng quyết tâm của nhóm Geim và Novoselov đã khai sinh một cuộc cách mạng khoa học. Nhìn lại, graphene quả thật kỳ dị không giống ai. Cấu trúc thì cực kỳ đơn giản nhưng nó hành xử như kim loại có độ dẫn điện và dẫn nhiệt tốt hơn cả kim loại; mặt khác nó giống như chất bán dẫn mang những đặc tính để chế tạo transistor nhưng lại không có vùng cấm. Bề mặt của graphene là một vũ trụ thu nhỏ 2 chiều trong đó electron hành xử như hạt ánh sáng không khối lượng vụt đến vụt đi như "đạn đạo" ở chốn không người với vận tốc 1.000 km/s. Tiếp nối graphene, những vật liệu 2 chiều khác đang lần lượt xuất hiện. Vô số các "cấu trúc dị thể" được tạo nên từ sự chồng chập các bề mặt nguyên tử khác nhau sẽ làm nên nền tảng cho bộ môn khoa học mới của vật liệu và tinh thể 2 chiều. Tạo hóa đã cho con người nhiều điều kỳ diệu. Thế giới 2 chiều là một điều kỳ diệu khác. Bài viết nói về graphene nhưng thực chất là về bề mặt – một thế giới 2 chiều – đúng như định nghĩa của nó. Chức năng thiên biến vạn hóa của các bề mặt vĩ mô đã làm cho các nhà khoa học ngỡ ngàng gần hai thế kỷ qua và đem đến cho loài người những tiện ích đời thường. Tính chất "yêu ma" của nó đã khiến Wolfgang Pauli phải một lần thốt lên, "God made solids, but surfaces were made by devils" (Thượng đế làm ra khối rắn, nhưng bề mặt được tạo bởi yêu ma). Cũng bề mặt "hồ ly" đó nhưng giờ đây được đem vào thế giới vi mô đến độ nhỏ tận cùng của vật chất thì nó trở nên vô cùng kỳ bí. Cuộc săn lùng "mỏ vàng" nguyên sinh của vật liệu 2 chiều đang trong cao trào rất sôi nổi dù đây chỉ mới là giai đoạn mở đầu. Trương Văn Tân Xuân Melbourne, Trung thu Việt (September 15, 2013)
|
|
|
Post by Can Tho on Sept 17, 2013 8:54:54 GMT 9
Phụ lục1. Sự di động của electron Sự di động của electron, chẳng hạn trên mặt chất bán dẫn, tuân theo định luật di chuyển Newton qua công thức E= ½ mv2 = p2/2m (P1.1) E là động năng, m là khối lượng của electron, v là vận tốc và p là động lượng. Nhưng thực nghiệm cho thấy động năng E của electron trên bề mặt graphene tỉ lệ với động lượng p [13-14]. E = vp (P1.2) Như vậy giữa động năng và động lượng có liên hệ tuyến tính giống như một kết luận trong thuyết tương đối của Einstein cho hạt không khối lượng (như photon) di động ở vận tốc ánh sáng. Phương trình P1.2 đưa đến kết luận là electron hành xử giống như hạt không khối lượng trên bề mặt graphene. 2. Độ di động Khi điện trường được áp đặt lên một vật liệu kim loại hay chất bán dẫn thì hạt tích điện (electron hay lỗ tích điện dương) di chuyển bởi sự lôi kéo của điện trường. Độ di động, µ, định lượng sự nhanh chậm của hạt khi di động. Vận tốc di động, v, gây ra bởi điện trường của hạt tích điện được định nghĩa bằng công thức, v= µE (P2.1) Độ di động là một lượng cần thiết quyết định hiệu năng của transistor vì công cụ này được thao tác dưới ảnh hưởng của điện trường. Sự thành hình của dải năng lượng và vùng cấm Ở thể rắn, các vân đạo nguyên tử liên kết, chồng chập lên nhau ở mọi phương hướng để tạo nên vân đạo phân tử. Trường hợp đơn giản nhất là hai nguyên tử kết hợp với nhau cho hai vân đạo phân tử. Các electron của hai nguyên tử bây giờ trở thành electron của phân tử và các electron nầy chỉ được phép ở những mức năng lượng nhất định. Cơ học lượng tử giúp ta tính toán những giá trị của mức năng lượng. Chất rắn được tạo thành do sự kết hợp hằng hà sa số các nguyên tử. Thí dụ ta có 1 cm3 chất rắn, người ta phỏng tính 1 cm3 chất rắn được 1022 (22 số 0 sau số 1, hay là 10 ngàn tỷ tỷ) nguyên tử tạo thành. Trong quá trình nầy, theo cơ học lượng tử, những mực năng lượng điện tử sẽ được thành hình và các electron sẽ chiếm cứ các mực năng lượng nầy. Như vậy, ta có 1022 vân đạo phân tử và 1022 mức năng lượng tương ứng được tạo thành. Các mức năng lượng nầy chồng chập lên nhau theo thứ tự trị số của chúng, trở thành dải được gọi là "dải năng lượng điện tử". Dải ở năng lượng thấp gọi là dải hóa trị (valence band) và dải ở năng lượng cao hơn gọi là dải dẫn điện (conduction band) (Hình 6). Vì con số 1022 là một con số rất lớn những mức năng lượng chồng chập nhau trông giống như một dải liên tục. Như bề dày của một quyển tự điển, từ xa nhìn thì trông như một khối liên tục, nhìn gần thì mới thấy những trang giấy rời rạc. Hình P1: Dải năng lượng điện tử: (a) kim loại, (b) chất bán dẫn, (c) chất cách điện. Dải đen tượng trưng cho dải hóa trị và dải trắng cho dải dẫn điện. Vùng cấm là khoảng cách giữa dải đen và dải trắng. Hình P2: Dải năng lượng điện tử của graphene. Dải đen tượng trưng cho dải hóa trị và dải trắng cho dải dẫn điện. Vùng cấm không hiện hữu vì chỉ là nơi tiếp giáp đỉnh của hai hình nón. Sự thành hình dải năng lượng của chất rắn có thể không liên tục, khi đó sẽ có một khoảng trống xuất hiện, các electron không được phép ở trong khoảng trống này nên được gọi gọi là "vùng cấm" (energy band gap) (Hình P1). Trị số năng lượng của vùng cấm được tính bằng electron volt (eV). Vùng cấm quyết định sự dẫn điện hay cách điện của chất rắn. Sự dẫn điện hay không dẫn điện là do khả năng "nhảy mương" của các electron. Nếu vùng cấm quá rộng electron của chất rắn không thể nhảy từ miền năng lượng thấp lên miền năng lượng cao, ta có vật cách điện. Những vật liệu kết hợp bằng nối như polyethylene hay kim cương có vùng cấm lớn hơn 8 eV; cái "mương" quá rộng để electron có thể nhảy qua trong điều kiện bình thường (nhiệt độ 22 °C, áp suất 1 atm). Đây là những vật cách điện tuyệt vời. Ngược lại, vùng cấm của kim loại là zero. Vùng cấm zero có nghĩa dải hóa trị và dải dẫn điện tiếp cận hoặc đan vào nhau. Nhờ đó các electron không cần phải "nhảy mương" mà chỉ di chuyển qua lại thoải mái, nên sự dẫn điện xảy ra một cách tự nhiên. Ở giữa hai cực đoan nầy là chất bán dẫn (thí dụ: silicon). Vùng cấm các chất bán dẫn nằm trong khoảng 1 - 1,5 eV. Trong điều kiện bình thường, một số các electron có thể nhảy lên mức năng lượng cao hơn nhờ nhiệt năng (thermal energy) chiếm cứ dải dẫn điện. Vì vậy, hiện tượng bán dẫn xảy ra. (Bên trên là trích đoạn từ quyển "Vật liệu tiên tiến: từ polymer dẫn điện đến ống than nano", Trương Văn Tân, 2008, nxb Trẻ tp HCM.) Dải hóa trị và dải dẫn điện của mạng lưới lục giác graphene theo sự tính toán của Wallace [8] là hai hình nón chạm nhau ở đỉnh (Hình P2). Như vậy graphene không có vùng cấm. 4. Mật độ Một lục giác (nhân benzene) của mặt phẳng graphene có 6 tam giác đều; mỗi tam giác có cạnh dài 0,142 nm và chiều cao 0,123 nm. Vậy một lục giác có diện tích là, 1/2 x 0,142 x 0,123 x 6 = 0,0524 nm2 = 5,24 x 10-20 m2 Trọng lượng nguyên tử của carbon là 12 g/mol. Trong 1 mol có 6.023 x1023 nguyên tử. Như vậy một nguyên tử carbon có trọng lượng là 12/(6.023 x 1023) = 1,99 x 10-23 g = 1,99 x 10-20 mg Trong mặt phẳng graphene, 2 nguyên tử carbon sở hữu 1 hình lục giác.Như vậy mật độ của graphene một lớp (có độ dày một nguyên tử) là (2 x1,99 x 10-20)/5,24 x 10-20 m2 = 0,76 mg/m2 và 1 gram của một lớp graphene có diện tích là 1.000/0,76 = 1.315 m2 Một lớp graphene có 2 mặt cho nên 1.315 m2 x 2 = 2.630 m2 Ống than nano chỉ có 1 mặt nên có diện tích là 1.315 m2. 5. Độ bền Độ dày của một lớp graphene là đường kính của nguyên tử carbon (0,335 nm). Do đó, độ bền 42 N/m trở thành 42/(0,335 x 10-9 m) = 125 x 109 N/m2 = 125 GPa Tương tư, độ cứng 342 N/m trở thành, 342/(0,335 x 10-9 m) = 1.020 x 109 N/m2 = 1.020 GPa. 6. Quy luật hỗn hợp Nếu ta dùng quy luật hỗn hợp (rule of mixture) ta có thể tính được một cách khái quát cơ tính của compsite từ các thành phần cấu tạo, Xc = X1v1 + X2v2 (P6.1) X: cơ tính, c: composite giữa vật liệu 1 và 2, v1, v2: lượng (thể tích hay trọng lượng) của thành phần cấu tạo 1 và 2. Trong một composite giữa PMMA (thành phần 1) và 1 % graphene (thành phần 2) ta có thể tính độ bền và môđun Young của composite dùng những con số trong Bảng 2. 7. Độ lớn cuả một tụ điện Ta thử làm một con tính khi ta nạp điện cho một tụ điện từ một cục pin gia dụng AA (1,5 V). Cục pin AA có thể tạo một giòng điện có cường độ 2,8 A trong 1 giờ. Ta có những công thức cơ bản như sau, Q = It (P7.1) Q (Coulomb): điện lượng, I (Ampere): cường độ dòng điện, t (giây): thời gian. Ngoài ra, C = Q/V (P7.2) V (Volt): điện áp của nguồn điện. Sau khi được nạp điện từ cục pin AA trong thời gian 1 giờ (3.600 giây), tụ điện sẽ có điện dung là, C = (2,8 x 3.600)/1,5 = 6.720 Farad (P7.3) Một tụ điện thông thường mang dung lượng 1 Farah có kích thước từ một hộp sữa đến một chai rượu. Để có C = 6.720 Farah, kích cỡ tụ điện phải vài ngàn lần to hơn! Tài liệu tham khảo và ghi chú
A. K. Geim and K. S. Novoselov, Nature Mater. 6 (2007) 183. D. R. Kauffman and A. Star, Analyst 135 (2010) 2790. K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva and A. A. Firsov, Science 306 (2004) 666. R. E. Peierls, Helv. Phys. Acta. 7 (1934) 83. L. D. Landau, Phys. Z. Sowjetunion 11 (1937) 26. N. D. Mermin, Phys. Rev. 176 (1968) 250. J. C. Meyer, A. K. Geim, M. I. Katsnelson, K. S. Novoselov, T. J. Booth and S. Roth, Nature 446 (2007) 60. P. R. Wallace, Phys. Rev. 71 (1947) 622. A. K. Geim, "Random walk to graphene" (Bước ngẫu nhiên tìm đến graphene), Nobel Lecture, 8 Dec. 2010 (nguồn: Google). Độc giả có thể vào Youtube đánh từ khóa "making graphene" thì sẽ nhìn được cách thức tách lớp graphne từ than chì và quan sát dưới kính hiển vi. P. Blake, E. W. Hill, A. H. Castro Neto, K. S. Novoselov, D. Jiang, R. Yang, T. J. Booth and A. K. Geim, Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 063124. A. K. Geim and K. S. Novoselov, Nature Mater. 6 (2007) 183. K. S. Novolselov et al, Nature 438 (2005) 197. Y. Zhang, Y.-W. Tan, H. L. Stormer and P. Kim, Nature 438 (2005) 201. Trương Văn Tân, "Transistor: Nhân tố của một cuộc cách mạng 1&2", Diễn Đàn Forum, www.diendan.orgWikipedia, từ khóa "Mitsutaka Fujita" và "Graphene nanoribbons" F. Schwierz, Nature Nanotechnology 5 (2010) 487. L. Liao and X. Duan, Materials Today 15 (July-August 2012) 328. K. S. Novoselov, V. I. Fal′ko, L. Colombo, P. R. Gellert, M. G. Schwab and K. Kim, Nature 490 (2012) 192. J. E. Gordon, "The new science of strong materials", Princeton University Press, 2nd ed. 1976, New Jersey. C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar and J. Hone, Science 321 (2008) 385. T. Ramanathan et al, Nature Nanotechnology, 3 (2008) 327. M. Zhang, K. R. Atkinson and R. H. Baughman, Science, 306 (2004) 1358. M. Cheng, W.Chen and T. Weerasooriya, J. Eng. Mater. Technol. 127 (2005) 197. D. Porter, J. Guan and F. Vollrath, Adv.Mater., 25 (2013) 1275. C.-D. Tran, W. Humphries, S. Smith, C. Huynh and S. Lucas, Carbon 47 (2009) 2662. A. B. Dalton, S. Collins, J. Razal, E. Munoz, V. H. Ebron, B. G. Kim, J. N. Coleman, J. P. Ferraris, and R. H. Baughman, J. Mater. Chem. 14 (2004) 1. A. B. Dalton, S. Collins, E. Muñoz, J. M. Razal, V. H. Ebron, J. P. Ferraris, J. N. Coleman, B. G. Kim and R. H. Baughman, Nature 423 (2003) 703. X. Zhao, Q. Zhang, D. Chen and P. Lu, Macromolecules 43 (2010) 2357. M. K. Shin, B. Lee, S. H. Kim, J. A. Lee, G. M. Spinks, S. Gambhir, G. G. Wallace, M. E. Kozlov, R. H. Baughman, and S. J. Kim, Nature Comm. 3 (2012) 650. H. Chen, M. B. Müller, K. J. Gilmore, G. G. Wallace and D. Li, Adv. Mater. 20 (2008) 3557. Z. Xu, H. Sun, Z. Zhao, C. Gao, Adv. Mater. 25 (2013) 188. R. Van Noorden, Nature 469 (2011)14. M. D. Stoller, S. Park, Y. Zhu, J. An and R. S. Ruoff, Nano Lett. 8 (2008) 3498. F. Schedin, A. K. Geim, S. V. Morozov, E. W. Hill, P. Blake, M. I. Katsnelson and K. S. Novoselov, Nature Materials 61 (2007) 652. "Graphene Foam Detects Explosives, Emissions Better Than Today's Gas Sensors", Science Daily (2011) www.sciencedaily.com. V.-T. Truong, P. J. McMahon and A. R. Wilson, J. Polym. Sci. Part B: Polym. Phys., 50 (2012) 624. P. Avouris and F. Xia, MRS Bulletin 27 (December 2012) 1225. "Making graphene pay today", Physics Word (June 2013) 9. R. Van Noorden, "Beyond sticky tape", Nature Outlook 483 (15 March 2012) S32. D. Li, M. B. Müller, S. Gilje, R. B. Kaner and G. G. Wallace, Nature Nanotechnology 3 (2008) 101. A. C. Jachak, M. Creighton, Y. Qiu, A. B. Kane and R. H. Hurt, MRS Bulletin 37 (December 2012) 1307. "20 things you can do with graphene", Physics World Focus on Nanotechnology (June 2012) 11. E. S. Reich, Nature 497 (2013) 422. A. K. Geim and I. Grigorieva, Nature 499 (2013) 419.
|
|
|
Post by Can Tho on Apr 1, 2014 4:08:35 GMT 9
Tất cả những gì bạn vẫn muốn biết từ lâu về vật chất, nhưng còn ngại hỏi – Phần-I Nguyễn QuangDiễn Đàn : Bài này gồm 6 chương, vì khá dài nên chúng tôi chia làm ba phần, mỗi phần hai chương, xuất bản cùng với nguyên tác bằng tiếng Pháp. Tới rồi, có đây... Cái gì thế ? ai đó vậy ? Thưa, hạt boson mới ! Boson BEHGHK (tên tắt của Brout-Englert-Higgs-Guralnik-Hagen-Kibble, viết gọn lại thành BEH) theo các nhà khoa học, người bình thường dùng tên boson Higgs, và với truyền thông thì nó còn là "hạt của chúa"(1). Trước đây gần 50 năm, nó thấp thoáng hiện ra lần đầu giữa mấy dòng phương trình, và từ đó là một cuộc săn tìm vô song trong lịch sử khoa học, cho tới khi cuối cùng con "cá voi trắng" quý hiếm này đã bị đánh bắt vào năm ngoái trong "máy gia tốc hạt hadron vĩ đại" LHC của tổ chức CERN : Sau 3*1014 va chạm trong năm 2012, với nhịp độ đỉnh là gần 1 tỷ lần mỗi giây, ngày 04.07.2012, hai nhóm nghiên cứu Atlas và CMS, vốn làm việc song song và độc lập với nhau trên chương trình này, đã loan báo sự phát hiện một hạt cơ bản mới, có khốí lượng trong khoảng giữa 125 và 127 GeV, mang "dấu ấn" của hạt BEH một cách chắc chắn với độ tin cậy 5,0 sigma, có nghĩa là tín hiệu chỉ có xác suất 3 phần 10 triệu là do đến từ nhiễu nền, theo thống kê. Nhưng, bởi vì cái-được-thua lớn khủng khiếp – đầu tư 10 tỷ Euros cho một máy gia tốc hạt hình tròn chu vi 27 km, hai nhóm nghiên cứu mỗi nhóm có 3000 nhà khoa học làm việc – người ta đã phải đợi thêm hơn một năm, cuối cùng mới chứng thực là cuộc săn tìm đã kết thúc : 5 sigma đúng là có cái giá của nó !(2) Tuy một mặt vẫn công nhận đóng góp kỹ thuật của tập thể CERN, ủy ban Nobel đã chọn lựa vinh danh Englert và Higgs (Brout đã qua đời năm 2011), hai người "cha" của lý thuyết về một boson cơ bản mà "nếu không có nó chúng ta cũng không thể hiện hữu", bởi vì chính nó đem lại khối lượng cho những hạt cơ bản khác. Boson là cái gì ? một hạt, cơ bản hay không, là cái gì ? khối lượng là gì ? Tóm lại, đến tột cùng (hay là ở khởi đầu của mọi khởi đầu), vật chất là cái gì ? Không rơi vào cái thần bí truyền thông về "hạt của chúa", người ta cũng không thể không tự hỏi về ý nghĩa của câu văn bí hiểm trên, và cả về ý nghĩa của từng chữ trong đó. Cuộc săn tìm BEH tuy có vẻ như một truyện "trinh thám", nhưng đây là một truyện trinh thám khoa học, phải được đọc từ A đến Z mà không thể nhảy cóc qua một chữ cái nào. Hay đúng hơn, độc giả vẫn có thể nhảy đến ngay chữ Z để biết câu chuyện sẽ kết thúc ra sao, nhưng khi đó bạn sẽ không thể hiểu tất cả những tình tiết của màn chung cục. Vật lý lượng tử, nói từ A (thuyết nguyên tử sơ khai) đến Z (Mô hình chuẩn của thuyết trường lượng tử) ? Tiên thiên là nhiệm vụ bất khả, bởi vì khoa học đương đại đã đi quá xa người ngoại đạo, đến nỗi anh ta không thể hiểu ngôn ngữ của nó. Nhưng ở đây chúng tôi chấp nhận đánh cuộc rằng có thể thực hiện một sự phổ biến khoa học mà không giản lược quá thô bạo, bằng cách phác hoạ những ý tưởng nền tảng nằm ở đằng sau ngôn ngữ chuyên môn ; dĩ nhiên với cái giá phải trả bằng một số điều chỉ nói được gần đúng, một số điều bị lược bỏ hay sai lầm mà xin được các chuyên gia tha thứ, hay bằng những "hộp đen" (đúng hơn, hộp xám)(3) mà xin được người ngoại đạo chấp nhận để không từ bỏ tầm hiểu biết tổng quát. Bài này mang nợ rất nhiều từ Wikipedia về mặt tài liệu, và từ tác phẩm [CTS] về mặt kỹ thuật. Hình-0 : Mô phỏng sự phân rã của boson BEH thành 4 muons (các vết màu vàng) I. Từ nguyên tử bất khả phân đến nguyên tử nhiệt động học 2500 năm trước, trong thời mà khoa học không thể tách khỏi triết học, các nhà tư tưởng Hy Lạp đã tìm cách giải thích các hiện tượng tự nhiên một cách thuần lý và thống nhất. Những tư biện của họ đương nhiên không có giá trị khoa học chính xác, nhưng trải qua nhiều thế kỷ, chúng vẫn mang nguyên vẹn những giá trị khai phá. Danh từ cosmos, đối với người Hy Lạp, không chỉ có nghĩa là "vũ trụ", mà còn là một vũ trụ hài hoà, trong nghĩa có trật tự, đối lập với chaos, cái hỗn loạn nguyên thuỷ. Trong trật tự đó, họ phân định được rõ ràng hình thể hiển hiện của vật chất, nhưng những lý thuyết của họ về sự cấu tạo của vật chất, do thiếu vắng khoa học thực nghiệm, chỉ dựa vào những suy luận trừu tượng kiểu triết học. Nguyên tử luận của Leucippe và môn đệ Démocrite (thế kỷ thứ 5 và thứ 4 trước C.N.) là như thế : Một khối vật chất không thể bị chia nhỏ mãi đến vô tận, vì nếu làm được thì sau đó sẽ không còn gì, chỉ còn chân không, cái ngược lại của vật chất ; từ đó suy ra, chỉ có thể lập lại một số lần có giới hạn việc chia nhỏ vật chất, sau đó kết quả là một tổng thể những hạt bất khả phân (nguyên nghĩa của atomos, nguyên tử), làm thành vật chất ; vậy thì chính là do sự kết tập các nguyên tử và tổ chức giữa các nguyên tử với nhau mà hình thành nên tất cả những hình thái khác nhau của vật chất. Còn về bản thân các nguyên tử, ngoài tính bất khả phân (và do đó chúng cũng bất biến), Démocrite còn gán cho chúng những đặc dạng như: nhẵn nhụi, sần sùi, tròn, méo, có móc... có khả năng giải thích các tính chất khác nhau của các phức hợp vật chất. Sau này, để giải thích tại sao các nguyên tử, đang cùng rơi trong khoảng không, lại kết tập được với nhau, Epicure (thế kỷ thứ 4 trước C.N.) đã đưa ra khái niệm clinamen (rẽ nghiêng), một hạt nhỏ có thể di chuyển ra ngoài quỹ đạo rơi thẳng đứng, một cách bất chợt và bất kỳ. Điều này khiến cho các nguyên tử có thể va chạm và kết dính với nhau. Thật hiện đại đáng ngạc nhiên, quan niệm về cosmos này diễn tả vũ trụ như nơi mà chân không, vật chất (atomos), và cái ngẫu nhiên (clinamen) cùng chung sống. Hậu thế được thừa hưởng quan niệm đó chủ yếu qua thi phẩm Latinh vĩ đại của Lucrèce (thế kỷ thứ nhất trước CN), De natura rerum (Về bản chất của vạn vật). "Trong chân không vĩnh viễn rơi những nguyên tử bất khả phân, bất khả diệt, mầm mống của cả vũ trụ trong quá khứ, hiện tại và vị lai, bởi vì không có gì tự nhiên phát sinh, không có gì biến mất (...) Không có gì được thần linh sáng tạo từ hư vô. Không có gì sẽ biến thành hư vô ; cái gì cũng phân rã trở lại thành những thành phần đầu tiên của vật chất" (Quyển I). Chúng tôi cố ý trích dẫn đoạn thơ trên của Lucrèce, để cho thấy rằng, rất lâu trước khi nền Hoá học hiện đại được khai sinh (Lavoisier, 1743-1794), các nhà tư tưởng Hy Lạp đã đặt ra vấn đề (không-)phát-sinh vật chất, và coi nguyên lý bảo tồn vật chất như là chuyện đã rõ – mặc dù, nếu soi kỹ, khái niệm vật chất chẳng hề được xác định rõ ràng. Chúng ta sẽ trở lại ở một đoạn sau với những quy luật bảo tồn và bất biến trong vật lý. Phải đợi khúc ngoặt sang thế kỷ 19 người ta mới thấy xuất hiện trở lại các luận đề về nguyên tử, không còn dưới dạng tư biện nữa, mà như một lý thuyết khoa học chính xác trên cả hai mặt định tính và định lượng. Lavoisier đã mang đến khái niệm chất hoá học đơn, đơn chất hay nguyên tố (như hyđrô, ôxy), chúng kết hợp với nhau để hình thành tất cả những chất hoá học phức hợp (hợp chất) hiện hữu (thí dụ như nước), hiện tượng vĩ mô tương tự như với các nguyên tử vi mô của Démocrite. Nhưng chính John Dalton (1766-1844) là người đặt lý thuyết nguyên tử ở tầng nền tảng của hoá học hiện đại : trong những nghiên cứu vào năm 1803, công bố năm 1808, ông đặt định đề là vật chất được cấu tạo bởi những nguyên tử có khối lượng khác nhau, và chúng kết hợp với nhau theo những tỷ lệ đơn giản. Bước đầu ông đưa ra 13 tổ hợp, dùng 6 đơn chất, thí dụ như 2H + O sẽ cho ra H2O, ký hiệu khởi thuỷ của các công thức hoá học. Và thế là thuyết nguyên tử trở lại sân khấu, và nó càng dễ dàng chiếm vai chính hơn khi rất thích hợp với hệ hình (paradigme) mới của khoa học thế kỷ 19. Điểm này cần được phát triển thêm (không phải để vẽ rắn thêm chân, bạn đang đọc một truyện trinh thám khoa học, xin đừng nhảy qua mắt xích dưới đây). Tới khúc ngoặt sang thế kỷ 20, các nhà vật lý có cơ sở xứng đáng để nghĩ rằng họ đang tiến gần đến sự thống nhất tối hậu mà các nhà tư tưởng Hy Lạp từng ước mơ ; sau khi ba công trình tổng hợp lớn đã được xây dựng, đó là : cơ học thuần lý do Newton (1687) khai sinh và được Lagrange (1788) cũng như Hamilton (1833) hoàn thiện, điện từ học của Maxwell (1864), lý thuyết nhiệt động học, do Fourier (1811) khai sáng rồi được Maxwell và Boltzmann (vào khoảng 1870) hoàn chỉnh. Nói riêng về cơ học thuần lý, khởi đi từ những khái niệm cơ bản về lực và điểm vật chất, nó cho phép khảo sát " cấu hình và sự biến chuyển của các hành tinh, quỹ đạo của sao chổi, thuỷ triều" (ghi trên bia mộ Newton ở Westminster Abbey). Vậy người ta cũng có thể mang tham vọng tích hợp được nó với hai lý thuyết kia để từ đó giải thích tất cả những hiện tượng vật lý quan sát được. Thực ra, nhờ vào giả thuyết nguyên tử, nhiệm vụ ấy đã hoàn thành một nửa (nửa nhỏ thôi, như người ta sẽ thấy ra trong thế kỷ 20), qua nhiệt động học thống kê của Maxwell-Boltzmann. Đoạn tuyệt với quan điểm tất định tuyệt đối đương đại, lý thuyết này sử dụng những phương pháp thống kê để nối liền những khái niệm cơ học (lực và khối lượng) với những khái niệm của nhiệt động học (nhiệt năng, nhiệt độ, áp suất), bằng cách ấy tìm lại được và đồng thời xác định rõ hơn hai nguyên lý cơ bản của nhiệt động học mà Carnot đã phát biểu. Nguyên lý thứ nhất, nguyên lý bảo tồn năng lượng, là sự diễn dịch vĩ mô của các quy luật ở tầm vi mô về va chạm cơ học đàn hồi của các phân tử. Nguyên lý thứ hai, đã được Clausius phát biểu lại năm 1850, dưới dạng biến thiên của hàm entropy (biểu diễn "trạng thái mất trật tự" của một hệ thống, không thể giảm trong một hệ cô lập). Một diễn dịch cụ thể của nguyên lý thứ hai nói rằng không thể có chuyển động vĩnh cửu, vì như thế cuối cùng có thể sinh ra tác dụng trong một môi trường chỉ có một nguồn nhiệt. Nhiệt động học thống kê giải thích khái niệm entropy một cách chính xác bằng cơ học. Entropy S của một hệ thống được định nghĩa như tích phân của dq/T, trong đó T là nhiệt độ, và dq là biến thiên của nhiệt lượng : Một mặt thì nhiệt độ, diễn tả sự dao động của các phân tử, là tỷ lệ với động năng trung bình của các phân tử, hệ số tỷ lệ k được gọi là hằng số Boltzmann ; mặt khác, k còn hiện ra như một hệ số tỷ lệ giữa entropy S và lôgarít của W, số các cấu hình vi mô của một trạng thái vĩ mô nhất định (chúng ta sẽ trở lại khái niệm cấu hình trong chương 3 khi bàn về lý thuyết trường). Do đó phương trình Bolzmann – được khắc trên bia mộ của ông tại Zentralfriedhof ở Vienne – được viết như sau : S = k.LogW, và cho ra một định lượng chính xác về độ hỗn loạn của một hệ thống (con số cấu hình càng cao thì độ hỗn loạn càng lớn). Theo nguyên lý thứ hai thì S chỉ có thể tăng theo thời gian, nếu hệ thống đó cô lập (xem [CTS] tr.53)) Khi thế kỷ 20 rạng sáng, Gibbs (1902), rồi Einstein (1905), đã đặt một dấu lặng cho nhiệt động học thống kê khi đưa vào sử dụng những khái niệm của toán học xác suất (đối lập với thống kê) để có thể khảo sát những trạng thái vi mô (đối lập với vĩ mô) của một hệ thống vật lý : xác suất hiện ra một trạng thái vi mô nhất định của một hệ thống được Einstein liên hệ với quãng thời gian trung bình mà hệ thống nằm trong trạng thái vi mô đó trong một khoảng thời gian tiến đến vô tận. Địều này cho phép Einstein xây dựng một lý thuyết vừa định tính vừa định lượng về chuyển động Brown (chuyển động ngẫu nhiên của một vi hạt "lớn" nằm trong một chất lỏng, và không chịu bất cứ một tác động nào khác ngoài sự va chạm với các phân tử của chất lỏng ấy). Thành quả này tạo khung cảnh cho Jean Perrin thiết kế một số thí nghiệm có tính "quyết định" (theo nghĩa nó cho phép phán định toàn bộ một lý thuyết là đúng hay sai) ; và đem lại vào năm 1908 những bằng chứng không thể chối cãi đầu tiên về sự hiện hữu của các nguyên tử, cũng như một ước lượng về độ lớn của chúng (giữa 6.10-10 và 6.10-11 m) (xem[CTS] tr.55-56). Và đương nhiên, về "bằng chứng" cho người bình thường thì từ đó người ta đã trưng ra nhiều thứ hay hơn : nguyên tử sắt đã được chụp ảnh trong những năm 1960, và vào tháng 5.2013, một nhóm nghiên cứu của IBM đã thực hiện một kỳ công là công bố một phút phim hình chiếu trong đó, mỗi hình được vẽ bằng vài chục điểm nguyên tử đặt trên một miếng đồng (xem Hình 1.1 và 1.2). Hình 1.1 và 1.2: Mỗi điểm dùng vẽ ra cậu bé này là một nguyên tử các-bon được phóng to 100 triệu lần bằng kính hiển vi dùng hiệu ứng đường hầm, trong nhiệt độ gần độ không tuyệt đối. 2. Nguyên tử hành tinh và nguyên tử kiểu Bohr Về cuối thế kỷ 19, tình trạng tiến triển của sự nghiệp vĩ đại đi tìm cái thống nhất của vật lý, bằng cách mở rộng những khái niệm nền tảng của cơ học, là như sau : Sự tích hợp với nhiệt động học, ngay cả với hoá học nữa, đã thành công khi dựa trên giả thuyết nguyên tử để mở rộng khái niệm điểm vật chất ; điều còn lại là liên kết khái niệm lực với các hiện tượng điện từ trong lý thuyết của Maxwell, đó chủ yếu là sự bận rộn của tất cả hoạt động vật lý lý thuyết của thế kỷ 20, và với cái giá là phải cấu trúc lại toàn bộ nền tảng vật lý học. Trong một phần tư thế kỷ đầu, những khủng hoảng về khái niệm (và các giải pháp) xô đẩy nhau, chồng chất lên nhau, theo một nhịp điệu khiến cho khó có thể (vả lại cũng không nên) kể một câu chuyện theo thời gian tuyến tính. Thay vì thế, chọn lựa ở đây là lần bước theo sự phát triển của một vài ý tưởng chủ đạo, và nếu cần thì sẵn sàng ngược xuôi với thời gian. Như chúng ta thấy, mô hình nguyên tử đã bền vững ngự trị từ khúc quanh đi vào thế kỷ. Nhưng, ngay từ 1879, những nghiên cứu của Joseph John Thomson (giải Nobel de vật lý năm 1906) về tia điện cực âm (tia catôt) đã đưa ông đến sự khám phá ra điện tử, hạt cơ bản mang điện tích âm (điện tích này sẽ được quy định là đơn vị điện tích cho những vi hạt nguyên tử) và có khối lượng bằng 5,5x10-4 khối lượng của nguyên tử Hydrô : atomos không phải là bất khả phân nữa rồi. Thomson gợi ý là các điện tử nằm chìm trong một thể chất mang điện tích dương, "như các hạt nho khô nằm trong cái bánh", nhưng đến năm 1911, khi bắn vào một lá vàng mỏng bằng một chùm tia alpha (lõi của các nguyên tử hêlium) Ernest Rutherford (giải Nobel hoá học năm 1908) nhận ra rằng đa số các vi hạt alpha xuyên qua lá vàng và bị lệch hướng nhẹ, trong khi có một số nhỏ vi hạt bị bắn ngược trở lại. Từ đó ông đi đến kết luận là điện tích dương của nguyên tử phải được tập trung trong một phần trung tâm rất nhỏ của nó, đặt tên là lõi nguyên tử, nhỏ hơn nguyên tử khoảng 100.000 lần (tuyệt đại bộ phận nguyên tử là chân không). Rutherford đề nghị mô hình "nguyên tử hành tinh" mang tên ông, theo đó các điện tử quay chung quanh một cái lõi có điện tích ngược lại, như các hành tinh quay chung quanh mặt trời. Điều còn lại là tìm hiểu kỹ hơn về cấu trúc của lõi nguyên tử. Năm 1911, khi bắn một chùm tia alpha vào khí đạm, Rutherford chứng tỏ được là lõi của khí Hydrô cũng nằm trong lõi của các đơn chất khác, do đó đây phải là một hạt cơ bản, được đặt tên là proton (nghĩa là đầu tiên), mà điện tích là -1 và khối lượng bằng khoảng 1836 lần khối lượng điện tử (khối lượng của proton sẽ được dùng làm đơn vị khối lượng cho các vi hạt nguyên tử). Về một mặt khác, sau những kết quả khó hiểu từ những thí nghiệm trên một loại tia bị hiểu nhầm là tia phóng xạ gamma (xem một đoạn sau), James Chadwick (giải Nobel vật lý năm 1935) khi bắn tia alpha vào các nguyên tử beryllium, khám phá ra một hạt cơ bản có khối lượng 1 và điện tích 0, đặt tên là neutron. Cho đến ngày nay, hình ảnh nguyên tử quen thuộc với đại chúng vẫn là một mô hình hành tinh đơn giản (hình 2.1) : ba hạt cơ bản là proton, neutron và điện tử ; điện tử quay chung quanh lõi nguyên tử trên những quỹ đạo khác nhau (nói đúng hơn là những tầng quỹ đạo), lõi nguyên tử là một kết hợp của protons và neutrons (hai hạt này vì thế còn được gọi là nucléons) ; Số nguyên tử Z là số proton (bằng số điện tử), khối lượng A của nguyên tử là khối lượng của lõi, tức là do các khối của neutron và proton cộng lại. Nhưng phải công nhận rằng, mô hình đơn giản này rất giống một sự giản lược quá trớn. Quả là mô hình Rutherford trên thực tế thoả mãn được hầu hết các nhu cầu của hoá học : các liên kết hoá học là do kết hợp điện tử, các con số nguyên tử có thể "giải thích" tính tuần hoàn của bảng Mendeleïev (một cách sắp xếp các đơn chất theo kinh nghiệm, tuỳ thuộc vào những đặc điểm có tính tuần hoàn (xem hình 2.2), khối lượng nguyên tử "giải thích" sự hiện hữu của các chất đồng vị (có cùng số nguyên tử Z, nhưng có khối lượng A khác nhau), v.v. Nhưng với vật lý học thì mô hình hành tinh không tốt đẹp như thế, nó vừa không đầy đủ, vừa không ổn định. Không ổn định ngay từ quan niệm gốc : theo các quy luật của Maxwell, các điện tích khi chuyển động phải phát ra bức xạ, và như thế các điện tử phải mất đi năng lượng và rơi vào lõi nguyên tử ; ngay ở trong lõi, các proton mang cùng điện tích dương, phải đẩy lẫn nhau, v.v. Không đầy đủ, vì mô hình bỏ qua không giải thích được những hiện tượng như là sự cố kết của lõi, kết cấu bởi một "lực liên kết" bí ẩn và không hề được phát hiện (và chẳng hề không đáng để ý, như ta sẽ thấy trong chương 3) ; và sự phân rã của nó trong hiện tượng phóng xạ – tự nhiên (Becquerel, 1896) hay nhân tạo (vợ chồng Joliot-Curie, 1934) – nói rõ hơn, sự phân rã hay biến đổi một số lõi nguyên tử, kèm theo sự bắn ra các vi hạt và phát sóng (phóng xạ alpha sinh ra hélium, bêta sinh ra các điện tử, gamma phát ra một loại sóng có khả năng xuyên thấu còn cao hơn tia X) có vẻ như vi phạm nguyên lý bảo tồn năng lượng, v.v. Hình 2.1 : Bảng tuần hoàn các đơn chất và vị trí các chất đồng vị Hình 2.2 Bảng tuần hoàn các đơn chất Thực tế cho thấy, công việc giải thích "lực làm rung động những vi hạt trong nguyên tử và giữ cho cái hệ mặt trời tí hon này được ổn định", theo như ước vọng của Max Planck (và chúng ta sẽ thấy ông còn quá ngây thơ), sẽ là công trình chủ yếu của vật lý lý thuyết trong thế kỷ 20, nhưng trước đó phải thực hiện hai cuộc cách mạng ý tưởng đã. Vào cuối thế kỷ 19, khi làm bản tổng kết tình hình của vật lý lý thuyết năm 1990, Huân tước Kelvin (tên thật là William Thomson, đừng nhầm với J. J. Thomson đã được nói đến) thoải mái chấp nhận rằng "chỉ còn hai đám mây nhỏ trong bầu trời quang đãng" của vật lý học – một là "tai biến cực tím", và một nữa là "tại sao không có gió ête" – nhưng ông không hề nghi ngờ là hai cụm mây nhỏ đó rồi sẽ tan đi. Chỉ vài tháng sau đó, cụm mây đầu tiên nổ ra mưa gió. Cuộc cách mạng lượng tử "Tai biến cực tím" là cái tên gợi hình được dùng để gọi sự bất đồng giữa kết luận của lý thuyết và kết quả thực nghiệm trên bức xạ điện từ của "vật đen" – một vật thể hoàn toàn cân bằng nhiệt động so với môi trường chung quanh. Lý thuyết cổ điển chỉ ra rằng bức xạ của vật đen độc lập với mọi chất liệu cấu tạo ra nó, mà chỉ tuỳ thuộc vào nhiệt độ của nó. Vấn đề đặt ra khi ấy là, khi biết nhiệt độ T, mô tả được phổ năng lượng điện từ của vật đen, nói cách khác, tính ra được hàm theo tần số của mật độ năng lượng trong một đơn vị thể tích của vật thể. Các kết quả thực nghiệm vẽ ra một hình chuông bất đối xứng, dạng nhọn hay tù tuỳ theo nhiệt độ (hình 2.3 và 2.4). Đối với các tần số thấp, nhiệt động học cổ điển cho ra những tính toán xấp xỉ khá đúng (định luật Rayleigh-Jeans), nhưng với các tần số cao (tương ứng với bước sóng ngắn), lý thuyết cổ điển tiên đoán một cách phi lý là năng lượng tiến đến vô tận : đó là tai biến cực tím ! Năm 1900, định luật Planck chỉnh đốn được tình trạng khi tính toán đúng năng lượng bức xạ, qua một công thức rất ấn tượng, hội tụ ba hằng số vũ trụ là : vận tốc ánh sáng c, hằng số Boltzmann k, và một hằng số mới, h, dấu ấn đóng trên giấy khai sinh của lý thuyết lượng tử. Lượng tử đến từ danh từ quantum, có nghĩa đại lượng cơ bản. Trong lý luận của Planck, để sử dụng được lý thuyết nhiệt động học thống kê (xem chương 1) ông đặt ra định đề là những trao đổi năng lượng giữa vật đen và các sóng bức xạ điện từ được thực hiện một cách không liên tục, nói chính xác hơn, qua việc trao đổi một số nguyên những quantum tác dụng (tác dụng được lượng tử hoá) mà ở đây ghi ký hiệu là Epsilon. Ý tưởng về sự trao đổi năng lượng một cách gián đoạn này là hoàn toàn cách mạng, vừa ngược lại với trực giác, vừa ngược lại những định kiến của nền vật lý đương đại (điều này có lẽ giải thích vì sao phải đến 1918 Planck mới được trao giải Nobel). Hình 2.3 : bức xạ của vật đen : kết quả thực nghiệm Hình 2.4 : bức xạ của vật đen : các mô hình lý thuyết Để tính Epsilon, Planck lượng định entropy của vật đen bằng hai cách khác nhau, một mặt qua việc sử dụng những đặc tính nhiệt động học cổ điển về tương tác giữa sóng điện từ và vật chất, mặt thứ hai là qua sự mô tả thống kê của entropy theo Boltzmann. Để cho hai tiếp cận này có thể tương thích, ông phải chấp nhận là Epsilon tỷ lệ thuận với tần số Nu của bức xạ, do đó ta có Epsilon = h. Nu, trong đó h là hằng số vũ trụ của Planck, h do đó mà có chiều kích là năng lượng nhân với thời gian ( xem [CTS], tr. 107). Với định nghĩa của quantum tác dụng Epsilon này, thống kê Boltzmann cho thấy là mỗi tần số dao động mang theo nó một năng lượng có giá trị trung bình là h.Nu/exp(h.Nu/kT) - 1 ; Nhân năng lượng này với mật độ của mọi tần số có thể có, người ta được kết quả là "mật độ năng lượng Planck", biểu diễn đúng đắn bức xạ vật đen ở nhiệt độ T. Kể từ đây người ta sẽ gọi là "lượng tử" tất cả các hiện tượng và các lý thuyết trong đó có tham dự – trực tiếp hay gián tiếp – hằng số vũ trụ Planck. Bạn đọc dù không chuyên chắc hẳn đã cảm nhận được là, đến giai đoạn này, sự "rời rạc hoá" (lượng tử hoá) khái niệm năng lượng là một bước đầu tiên đi tới sự thống nhất điện từ học và cơ học mà từ đầu bài chúng tôi đã nói tới. Vào "năm thần diệu" 1905, năm mà Einstein công bố thuyết tương đối hẹp và lý thuyết về chuyển động Brown, ông cũng nắm lấy ý tưởng lượng tử để diễn tả hiệu ứng quang điện, nghĩa là sự nảy sinh một dòng điện (tử) khi có bức xạ chiếu vào một vật thể mang đặc tính quang điện này (thí dụ như một chất lỏng trong thí nghiệm của Becquerel năm 1939, với hai điện cực nhúng trong đó) : Hiệu ứng chỉ xẩy ra khi tần số bức xạ cao hơn một ngưỡng nào đó, và khi ấy năng lượng của hạt điện tử bắn ra không phụ thuộc vào cường độ của bức xạ. Nếu chỉ dựa trên tính chất sóng của bức xạ thì không thể giải thích hiện tượng này. Ngược lại, vấn đề sáng rõ ngay khi dùng khái niệm lượng tử : vì năng lượng của bức xạ chỉ được truyền vào chất quang dẫn theo bội số của quantum tác dụng, tỷ lệ với tần số của bức xạ. Ngưỡng tần số của bức xạ chính là ngưỡng năng lượng mà khi truyền đến điện tử trong nguyên tử, được liên hệ với năng lượng liên kết giữa điện tử và nguyên tử. Nếu năng lượng liên kết nhỏ hơn quantum tác dụng của bức xạ thì điện tử bị bắn ra khỏi nguyên tử, và năng lượng của nó không phụ thuộc vào cường độ của bức xạ (xem [CTS] tr.109). Qua diễn tả này, Einstein đã mang trở lại theo cách của ông quan niệm "hạt ánh sáng" của Newton, nhưng ở một đoạn sau chúng ta sẽ thấy là "hạt ánh sáng" này, được thay thế bởi lượng tử ánh sáng tên là photon, là một "vi hạt không có khối lượng", vì nó di chuyển với vận tốc ánh sáng. Einstein sẽ được giải Nobel năm 1921 vì đã giải thích hiệu ứng quang điện (chứ không phải vì lý thuyết tương đối, như hay bị hiểu nhầm). Năm 1913, theo bước Planck và Einstein, Niels Bohr (giải Nobel 1922) đã lượng tử hoá mô hình nguyên tử bằng cách đặt ra hai nguyên lý : – Một điện tử chỉ có thể di chuyển trong một vài quỹ đạo ổn định, hoàn toàn tách rời nhau (lượng tử hoá quỹ đạo) – Điện tử khi di chuyển trong một quỹ đạo ổn định thì không phát ra bức xạ. Nó chỉ phát ra hay hấp thu năng lượng khi thay đổi quỹ đạo (sự chuyển dịch điện tử). Bohr xác định các quỹ đạo qua một tính toán năng lượng dùng cả hai nguồn lý thuyết cổ điển và lượng tử. Ta thử lấy nguyên tử hydrô làm thí dụ, nó chỉ có một điện tử với khối lượng m quay quanh một proton độc nhất trên quỹ đạo bán kính r , với vận tốc v . Các công thức cổ điển, về lực hút tĩnh điện (Coulomb) và về động năng của một điểm quay quanh trung tâm (Newton), đưa đến phương trình mv2 = re2, trong đó, để thuận tiện, ta gọi e là điện tích của điện tử chia cho một hệ số lệ thuộc vào "điện môi" của chân không. Nhưng trong động lực học về một điểm vật chất M di chuyển quanh điểm cố định O, còn xuất hiện mômen xung lượng L, bằng tích vectơ của OM và p, trong đó p = mv là vectơ xung lượng (ở đây ta viết các ký hiệu về vectơ bằng chữ đậm, chiều dài của nó bằng chữ thường, chẳng hạn với vận tốc định hướng bằng vectơ v thì chiều dài của nó là vận tốc vô hướng v). Trong chuyển động vòng tròn khảo sát ở đây, L = mrv. Nguyên lý đầu của Bohr được phát biểu chính xác dưới dạng L = n.ћ, trong đó ћ là hằng số Planck được chuẩn hoá bằng cách chia h cho 2π, vậy mrv = n.ћ , với n là một số nguyên (n = 1, 2, 3,…). Liên kết với nhau hai công thức về vận tốc đã thành lập được như thế, người ta thấy rằng các bán kính và năng lượng điện tử của những quỹ đạo có thể có được sắp đặt theo hai chuỗi như sau : rn = an2, trong đó a = ћ2/me2 là «bán kính Bohr», và En = E1/n2, với E1 = me4/2ћ2 là năng lượng của lớp quỹ đạo thấp nhất. Sự lượng tử hoá các quỹ đạo như vậy là tương ứng với sự lượng tử hoá các tầng năng lượng, và nguyên lý thứ nhì của Bohr được định lượng : các quanta năng lượng trao đổi với điện tử khi nó chuyển dịch có dạng E1(1/n2 – 1/n’ 2), trong đó n và n’ là những số nguyên. Sự xác nhận bằng thực nghiệm là tức thì, kết quả đã có sẵn trong phân tích quang phổ của chất khí được làm nóng trong môi trường áp suất thấp : theo công thức của Planck, việc lượng tử hoá các tầng năng lượng nói trên phải được diễn dịch thành việc lượng tử hoá các bước sóng trong bức xạ do điện tử phát ra. Và đó quả nhiên là điều người ta quan sát thấy, ví dụ trong quang phổ của khí hydrô, có đúng những vạch như tính toán theo công thức Bohr (xem hình 2.4). Đương nhiên, mô hình Bohr không giải thích được tất cả, chẳng hạn về một vài bất thường nhỏ trong bảng Mendeleïev, cũng như về cấu trúc mịn của các vạch trong quang phổ khí hydro (được phân trùng thành những vạch rất gần nhau), và còn về thí nghiệm của Stern-Gerlach (trong một từ trường theo chiều thẳng đứng và không đồng đều, một chùm nguyên tử bạc tự chia làm hai)... Hình 2.5 : Mô hình nguyên tử của Rutherford Nhưng, mặc dù đây chỉ là những bập bẹ của nền cơ học mới, sự lượng tử hoá các quỹ đạo điện tử đã triệt tiêu được nghịch lý về sự ổn định của chúng. Nhờ vào khái niệm liên quan là ngưỡng năng lượng (mà Einstein đã khai thác), sự lượng tử hoá này còn giải đáp một nghịch lý khác, đó là sự ổn định của nguyên tử, mà vì nó Maxwell từng rơi vào trầm cảm siêu hình khi ông tự vấn về những vi hạt "trong khắp cả vũ trụ, mang theo chúng dấu ấn của một hệ thống đo lường chuẩn nổi bật không kém gì thước đo mét chuẩn trong Viện lưu trữ Paris [và do đó] những phiên bản cùng loại là giống hệt nhau, điều này là một đặc tính thiết yếu của các sản phẩm công nghệ" : thật vậy, một khi mà những nhiễu loạn năng lượng còn nhỏ hơn một ngưỡng nào đó, nguyên tử vẫn là bất khả phân, theo như nguyên nghĩa của nó. Đồng ý nhưng mà, có người sẽ bảo, còn về sự bất ổn định và sự phân rã của một số lõi nguyên tử thì sao ? Câu trả lời phải được tìm trong cuộc cách mạng khoa học khác kia của thế kỷ 20, lý thuyết tương đối. Hình 2.6 : Mô hình nguyên tử của Bohr Nguyễn Quang Bản dịch: Hàn Thuỷ (1) Diễn dịch bị bóp méo (cố ý ?) từ tán thán của nhà vật lý Leo Lederman "cái vi hạt trời đánh này !" (2) Cuối năm 2011, một nhóm nhà vật lý nghiên cứu trong đề án OPERA công bố quá sớm việc đã phát hiện một loại hạt neutrino di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Khi cuối cùng phải công nhận rằng điều ấy chỉ là sai lầm từ một sợi quang dẫn bị hỏng, nhiều thành viên có uy tín của OPERA tự thấy phải từ chức. (3) Những hộp xám này là các đoạn cũng được viết trong một khung có nền xám Tài liệu tham khảo: J. Baggott: La particule de Dieu – A la découverte du boson de Higgs, Dunod, 2013
[CTS] G. Cohen-Tannoudji & M. Spiro : Le boson et le chapeau mexicain – Un nouveau grand récit de l’Univers, Folio Essais, 2013
[GV] C. Grojean & L. Vacavant : A la recherche du boson de Higgs, Librio 2013
Xin lưu ý : ba tài liệu này có trình độ không đồng đều : [GV] vào loại dành cho đại chúng; tập trung trên những khía cạnh lịch sử; còn [CTS] thì có tính chuyên môn khá cao, không phải là sách dành cho người ngoài nghề bắt đầu tìm hiểu.
|
|
|
Post by Can Tho on Apr 1, 2014 4:17:08 GMT 9
Tất cả những gì bạn vẫn muốn biết từ lâu về vật chất, nhưng còn ngại hỏi – Phần-II Nguyễn Quang nguyên tác bằng tiếng Pháp. 3. Từ Maxwell tới Einstein Đám mây xám thứ hai trên bầu trời của huân tước Kelvin, chính là thí nghiệm của Michelson-Morley năm 1887 ; nó có khuynh hướng bác bỏ giả thuyết ê-te, và như thế khẳng định sự tồn tại dai dẳng của một mâu thuẫn cơ bản giữa cơ học thuần lý của Newton và lý thuyết điện từ của Maxwell. Cho nên đã đến lúc chúng ta vào tham quan ngôi đền thứ ba của vật lý học thế kỷ 19 này, một tổng hợp sừng sững uy nghi của điện học và từ học, mà còn cả quang học nữa. Bỏ qua thời tiền sử của bộ môn khoa học này, ta có thể nói là quang học – nhằm tìm hiểu xem ánh sáng di chuyển thế nào ? dưới hình thức nào và theo những quy luật nào ? – bắt đầu phát triển từ đầu thế kỷ 17, với những nghiên cứu của Descartes về màu sắc và sự khúc xạ ; nhưng rồi quan trọng nhất là với sự đối nghịch giữa hai lý thuyết của Newton và Huygens về bản chất của ánh sáng. Trung thành với cách tiếp cận cơ học của mình, Newton quảng bá một quan điểm vi hạt ; dựa trên sự chuyển động của các « hạt sáng », được coi như những điểm vật chất, ông giải thích được một cách tự nhiên những hiện tượng phát tán ánh sáng, giải thích được hiện tượng khúc xạ một cách khó khăn hơn, nhưng bất lực trước các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ. Về phía bên kia, lý thuyết sóng của Huygens đặt giả thuyết là ánh sáng được truyền đi trong một môi trường có tên ê-te, tương tự như những đợt sóng truyền đi trên mặt nước ; để từ đó giải thích dễ dàng những hiện tượng giao thoa, nhưng rồi phải đợi đến đầu thế kỷ 19, với những đóng góp của Young và Fresnel về nhiễu xạ và phân cực ánh sáng, thuyết này mới đánh bại được thuyết Newton. Sự tổng hợp ba động Cuối cùng, đợi đến năm 1854, rồi năm 1864, cuộc tổng hợp vĩ đại của Maxwell đã cho phép quy tụ những hiện tượng điện học, từ học và quang học về dưới mái nhà của một khái niệm duy nhất, trường điện từ. Ý tưởng về trường trong vật lý học đã được Faraday đưa ra vào khoảng thập niên 1830, trong những nghiên cứu thực nghiệm của ông về cảm ứng từ. Định nghĩa toán học của một trường, thực rất đơn giản : Xác định một trường trong không gian, hay trong không-thời-gian, tức là xác định ở mỗi điểm của không gian hay của không-thời-gian, một hay nhiều hàm biến thiên liên tục Φ(r) hoặc Φ(r,t) (mà r, hoặc cặp (r,t) là vectơ biểu diễn vị trí của điểm đó). Chẳng hạn như hàm vectơ điện E(r) hay hàm vectơ từ B(r) trong vật lý cổ điển, mà người ta có thể nhìn thấy trong thí nghiệm với mạt sắt, khi chúng được định hướng dọc theo các tuyến lực (xem hình 3.1). Nghiên cứu của Maxwell dựa trên các công trình của những người đi trước như Gauss, Ampère và Faraday, nhưng (theo [CTS]), Einstein và Infeld đã nhấn mạnh rằng ý tưởng về trường điện từ, do Maxwell đem vào trong lý thuyết của ông, là một sự đổi mới quan trọng về khái niệm so với cơ học thuần lý : « Những phương trình của Maxwell mô tả cấu trúc của trường điện từ. Sân khấu của các quy luật này là toàn bộ không gian, chứ không phải như trong các quy luật cơ học, chỉ tính đến các điểm có sự hiện hữu của vật chất và các định lượng của chúng (…) Trường ở đây và bây giờ phụ thuộc vào trường của vùng ngay bên cạnh ở thời điểm ngay trước đây. Và các phương trình cho phép chúng ta dự đoán về những gì sẽ xẩy ra ở một thời điểm trễ hơn hiện nay một chút tại một nơi xa hơn đây một chút, một khi chúng ta biết rõ các hiện tượng tại nơi đây và bây giờ (…) Kết quả của những suy diễn đó hợp thành sóng điện từ. » (Xem hình 3.2). Hiện thực của những làn sóng đó được Hertz minh chứng bằng thực nghiệm năm 1888 (từ đó có tên « sóng Hertz »). Hình 3.1 Hiển thị một từ trường Hình 3.2 Đồ thị của sóng điện từ. λ : bước sóng ; E: Điện trường dao động ; B : Từ trường dao động Thực vậy, bốn phương trình đạo hàm riêng cho vectơ mà Maxwell viết ra năm 1854 đã tiên đoán sự hiện hữu của một loại sóng gắn kết với những dao động của từ trường và điện trường, truyền đi trong chân không với một vận tốc mà người ta có thể dễ dàng làm thực nghiệm để đo lường. Sự trùng hợp giữa vận tốc sóng này và vận tốc ánh sáng (trong khoảng sai số của thí nghiệm) khiến cho Maxwell kết luận năm 1864 « rằng ánh sáng và trường điện từ là hai hiện tượng cùng bản chất, và rằng ánh sáng là một biến động của trường điện từ, truyền đi trong không gian theo những quy luật của điện từ học ». Như thế là công trình tổng hợp các loại ba động đã được hoàn thành. divD→=ρ (1) divB→=0 (2) rot→E→=−∂B→∂t (3) rot→H→=j→+∂D→∂t (4) Nhưng như thế là đồng thời khả năng tổng hợp với cơ học lại rời xa. Hiện chúng ta không bàn đến lưỡng tính sóng-hạt (xem chương 4 dưới đây), mà về một sự không tương thích cơ bản hơn nữa : Các phương trình Maxwell không bất biến khi thay đổi giữa hai hệ quy chiếu galilê (nghĩa là giữa hai hệ quy chiếu quán tính, chuyển động tương đối với nhau theo đường thẳng với vận tốc cố định), nói cách khác các phương trình này đối nghịch với nguyên lý tương đối galilê, theo đó « các quy luật cơ học là tương đồng trong hai hệ quy chiếu galilê » ; chúng bao hàm ý nghĩa là vận tốc của ánh sáng trong chân không, thường được viết là c, độc lập với các hệ quy chiếu galilê, trong khi mà, theo các quy luật cơ học cổ điển, khi đổi hệ quy chiếu vận tốc ánh sáng phải là kết hợp giữa c và vận tốc tương đối. Tư tưởng phổ biến đương đại cho rằng các loại sóng không thể truyền đi mà không có một môi trường nền, khi ấy chân không được gán cho ê-te, một môi trường được coi như làm nền cho ánh sáng, ê-te có những đặc tính trái ngược nhau – vừa đủ « chắc » để tải được năng lượng, vừa đủ « lỏng » để không ngăn cản sự di chuyển của các điểm vật chất, nhưng lại cũng phải vừa đủ « có mặt » để cho phép quan sát được các hiệu ứng. Ngầm hiểu rằng mọi chuyển dịch đều phải được coi là chuyển dịch tương đối với một môi trường ê-te cố định (và như vậy đó là một hệ quy chiếu tuyệt đối), người ta thử tìm cách làm hiển lộ, thí dụ như, « gió ê-te » nảy sinh do chuyển động của quả đất. Vậy mà, vào năm 1887, thí nghiệm của Michelson và Morley, có lẽ là « thí nghiệm phủ định » nổi tiếng nhất trong lịch sử khoa học, buộc phải kết luận là không có gió ê-te, bởi vì những cách đo giao thoa cực kỳ chính xác không cho thấy mảy may nào biến đổi của c do chuyển động của quả đất. Nhìn theo cách nào đi nữa, người ta cũng không tránh được mâu thuẫn. Cuộc cách mạng của thuyết tương đối Giữa hai năm 1892 và 1904, Hendrik Lorentz mày mò tìm cách biến đổi toạ độ giữ được cho các quy luật Maxwell không đổi. Poincaré đã chỉ ra rằng các biến đổi đó hợp thành một nhóm (theo nghĩa lý thuyết nhóm của toán học, xem chương 6 [trong bài sau] ) được đặt tên là nhóm Lorentz, mà từ đó ông đã suy ra gần như tất cả các phương trình của điều người ta ngày nay gọi là thuyết tương đối hẹp (« về điện động học của điện tử », 1905). Tuy nhiên các sử gia về khoa học thường cho rằng Einstein (« về điện động học của các vật thể đang vận động », 1905) là cha đẻ của thuyết tương đối, vì ông là người đã đem lại giải thích – cách mạng – về vật lý. Bế tắc của những năm đầu 1900 là do sự đối nghịch giữa các quy luật của Maxwell, bao hàm vận tốc c bất biến, và các quy luật của động học cổ điển, yêu cầu phải kết hợp vận tốc. Vậy mà, thuyết Maxwell có thể hãnh diện vì được nhiều xác nhận qua thực nghiệm, trong khi thuyết cổ điển chỉ dựa trên một định đề duy nhất là sự độc lập với nhau giữa một thời gian tuyệt đối và một không gian tuyệt đối. Với một ý thức táo bạo chẳng kém người đi trước ông là Planck, Einstein đã đứng hẳn về phía Maxwell khi đặt nền tảng cho thuyết của mình trên hai nguyên lý : ông bảo tồn nguyên lý tương đối của Galilê và mở rộng nó ra cho tất cả các hiện tượng vật lý ; và ông thêm vào đó nguyên lý vận tốc bất biến của ánh sáng trong mọi hệ quy chiếu galilê. Với những luận cứ có tính vật lý, ông tìm lại được phép biến đổi Lorentz, từ đó nó trở thành phép biến đổi tự nhiên giữa những hệ quy chiếu galilê. Cho một chuyển động chỉ thay đổi trục toạ độ x (mọi trường hợp đều có thể quy về trường hợp này), phép biến đổi được viết như dưới đây : c∆t' = γ(c∆t – β∆x) ∆x' = γ(∆x – βc∆t) ∆y' = ∆y ∆z' = ∆z và Δt′=Δt−vΔx/c21−v2/c2−−−−−−−√ Δx′=Δx−vΔt1−v2/c2−−−−−−−√ ∆y' = ∆y ∆z' = ∆z. Khi đặt β=vc và γ=11−β2√ Trong dạng ma trận : ⎡⎣⎢⎢⎢cΔt′Δx′Δy′Δz′⎤⎦⎥⎥⎥=⎡⎣⎢⎢⎢γ−βγ00−βγγ0000100001⎤⎦⎥⎥⎥⎡⎣⎢⎢⎢cΔtΔxΔyΔz⎤⎦⎥⎥⎥ Chúng ta thấy, chẳng những hệ phương trình này tiệm cận với động học galilê khi vận tốc không đáng kể so với vận tốc ánh sáng c (còn gọi là vận tốc không tương-đối-tính), mà nó còn đem lại hệ luận là vận tốc c không thể bị vượt qua. Từ điểm khởi đầu là không thể gửi thông tin đi xa một cách tức thì, Einstein táo bạo đặt lại vấn đề tính tuyệt đối của bản thân thời gian. Hệ hình mới trở thành một continum bốn chiều mà Minkowski năm 1908 sẽ đặt tên là không-thời-gian, trong đó đơn giản là tác động của các phép biến đổi Lorentz bảo tồn « khoảng cách vũ trụ » (còn có tên khác là độ dài giả). Δs2 = c2 Δt2 – Δx2 – Δy2 – Δz2 = c2Δt2 – Δl2 Để chuyển đổi từ động học cổ điển sang động học tương-đối-tính, ta cần thay thế các đại lượng vectơ quen thuộc, vận tốc và xung lượng, bằng vectơ vận tốc bốn chiều (trong đó τ là thời gian riêng của hạt vật chất) : u=(cdtdτ,dxdτ,dydτ,dzdτ), và vectơ xung lượng bốn chiều (trong đó E là năng lượng và m là khối lượng) P = mu = (E/c, px, py, pz) ; với : E/c=mcdtdτ; px=mdxdτ ; py=mdydτ ; pz=mdzdτ , Bởi vì vectơ bốn chiều này tỷ lệ với vận tốc 4 chiều (có độ dài giả c) theo một hệ số bất biến trong phép biến đổi hệ quy chiếu quán tính, ta có trong mọi hệ quy chiếu : (E/c)2−(p→)2=m2.c2 Đây là « hệ thức phân tán » nền tảng trong cơ học tương-đối-tính, trong đó ta có thể thấy vế đầu là bất biến trong nhóm Lorentz, và do đó khối lượng m, được tính từ hệ thức m2 = (E2 – p2c2)/c4, có tên khối lượng bất biến, là độc lập với mọi hệ quy chiếu quán tính. Trong trường hợp đặc biệt mà điểm vật chất m là cố định trong một hệ quy chiếu, khối lượng ở trạng thái nghỉ này của nó bằng với khối lượng bất biến, và hệ thức khuyếch tán trở thành đẳng thức E0 =m.c2 mà mọi người đều biết ; điều này có nghĩa, ngay cả trong trạng thái nghỉ, một vật thể vật chất hàm chứa một năng lượng nhất định, có thể là khổng lồ vì trị của c rất lớn. Trong cùng hệ quy chiếu đó, nếu hạt vật chất có khối lượng m lớn hơn không, di chuyển với vận tốc v, năng lượng của nó được tính bằng đẳng thức E=γ.mc2=mc21−(v2/c2)−−−−−−−−−√, (trong đó γ là hệ số tương-đối-tính, và γ.m đôi khi còn được gọi là khối lượng đang di chuyển, nhưng đó là một nguồn gốc của lẫn lộn, cũng như tên gọi khối lượng nghỉ). Một lần nữa ta có thể ghi nhận rằng với vận tốc không-tương-đối, người ta được sự xấp xỉ với những kết quả cổ điển, ở đây là động năng cộng với năng lượng nghỉ. Khi vận tốc v tăng lên và tiến đến gần c, mẫu số của hệ số tương-đối-tính tiến về số không, và do đó với một hạt vật chất có khối lượng khác không, năng lượng E tiến đến vô tận. Nhưng vì không thể có một năng lượng vô tận, điều này có nghĩa đơn giản là không thể tăng vận tốc của một hạt vật chất khi nó tiến gần đến c. Nhìn ngược lại, nếu một vi hạt (chẳng hạn như photon) di chuyển với vận tốc ánh sáng, điều đó có nghĩa khối lượng của nó phải bằng không. Như vậy chúng ta tìm thấy trả lời cho một trong những câu hỏi đặt ra ở đầu bài : vì sao mà một vi hạt có thể có khối lượng bằng không ? Tới đây không thể không trở về những vấn đề khoa học luận mà các khái niệm khối lượng và lực trong cơ học thuần lý cổ điển đặt ra. Trong tác phẩm « Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Các nguyên lý toán học của triết lý về tự nhiên) », Newton đã cảnh báo là ông dùng ngôn ngữ thường ngày để định nghĩa, theo trực giác, khối lượng của một vật thể là số lượng về thể chất hay vật chất nằm trong vật thể đó. Còn về bản chất của vật chất là gì, thì ông lánh mặt sau công thức lừng lẫy «hypotheses non fingo», « tôi không làm giả thuyết ». Nhưng, trong bốn quy luật cơ bản của ông (mà thực ra là bốn nguyên lý), ông đã cài vào hai định nghĩa mà tiên thiên là khác nhau, về khối lượng : trong quy luật thứ hai, khối lượng quán tính được định nghĩa qua hệ thức nổi tiếng lực = khối lượng * gia tốc, như vậy lực quán tính là cái gì ngăn cản sức đẩy cho vật thể chuyển động ; rồi sau đó, trong quy luật thứ ba, khối lượng hấp dẫn được định nghĩa theo quy luật hấp dẫn phổ quát giữa hai vật thể. Hẳn rồi, thực nghiệm đã chứng tỏ hai khối lượng này là bằng nhau với sai số dưới 10-12, và người ta có thể trình bày điều này như một « nguyên lý đồng nhất ». Nhưng điều gây ra thảo luận chính là ý tưởng về lực, được nắm bắt dễ dàng bằng trực giác, nhưng lại rất khó hình dung dưới hình thức khái niệm. Người ta có thể nhận thấy dễ dàng tính chất luẩn quẩn trong những định nghĩa của Newton (vả chăng, các định nghĩa khác trong mọi quyển tự điển cũng đều như thế) và thấy mình, giống như Poincaré, « bị dồn vào sự chấp nhận một định nghĩa, mà cũng chỉ là lời tự thú bất lực, như sau : khối lượng là cái hệ số thêm vào để thuận tiện cho việc tính toán ». Nhưng rõ ràng là, trong một khung cảnh nhất định, các tính toán đó đem lại những kết quả và những tiên đoán đúng, trong nghĩa chúng được thực nghiệm phê chuẩn. Và chúng còn được phê chuẩn bởi những ứng dụng kỹ thuật(1) nữa. Chẳng hạn như, trong khung cảnh tương-đối-tính, những khẳng định thực trái ngược với trực giác, như không gian và thời gian bị nén lại, mà các công thức của Lorentz đã tiên đoán, được người đi đường sử dụng hàng ngày trong hệ thống GPS. Thế thì người ta không thấy có gì bất tiện khi chấp nhận quan điểm thực dụng, được tóm gọn trong khuyến cáo của Dirac (hay có khi là của Feynman, câu chuyện rất có thể do nguỵ tạo) : «Shut up and calculate!» (hãy ngậm miệng lại và tính toán!). Đốn cùng, chẳng ai cần xem hình chụp của nguyên tử (trong chương 1) trước khi tán đồng một lý thuyết nguyên tử mà hàng thập kỷ nay đã cho chúng ta những bằng chứng về hiệu quả (ngay cả quá đáng) của nó : bom A, các trung tâm năng lượng nguyên tử, và những ứng dụng thường nhật của các lý thuyết tương-đối-tính. Còn về thuyết lượng tử, xin xem chương 4 phía sau. Tính tương đương giữa khối lượng và năng lượng, hiện hình từ những phương trình của Einstein, cho phép trả lời một số câu hỏi mà chúng ta đã tự đặt ra trong chương trước, về nguyên tử và về các vi hạt : * Độc lập với mọi liên hệ với một hạt vật chất hay về một vật thể vật chất rất nhỏ, danh từ vi hạt từ đây sẽ chỉ một quantum năng lượng, có thể nó hiện ra như năng lượng (và sẽ là một vi-hạt-năng-lượng, hay vi hạt không có khối lượng). Nhưng tính tương đương của Einstein không phải là sự đồng nhất, vì nếu không thì vật chất và năng lượng sẽ chuyển hoá từ dạng này sang dạng kia một cách vô chính phủ, thế mà thực tế không phải như vậy. « Không có gì mất đi, không có gì tự nhiên tự sáng tạo, tất cả là sự đổi thay » Lavoisier đã nói như thế sau Lucrèce. Lý thuyết lượng tử chính là lý thuyết nhằm tìm hiểu những thể thức hoán đổi năng lượng / vật chất. *Mặc dù không thể giải thích một cách chi tiết về « lực liên kết » bên trong lõi nguyên tử, ít ra tính tương đương của Einstein cũng cho phép ta hiểu những biểu hiện của nó. Chẳng hạn như một vi hạt alpha, lõi của khí hêlium, có khối lượng nhỏ hơn khoảng 1% tổng khối lượng của 2 protons và 2 nơtron hợp thành ra nó. Sự « thiếu khối lượng » không thể giải thích được bằng cơ học cổ điển này đại diện cho năng lượng liên kết, tức khoảng 28 MeV. Còn gây ấn tượng hơn nữa là sự phân hạch (còn gọi là phân rã nguyên tử hay phân rã hạt nhân), xẩy ra khi một lõi nguyên tử nặng hấp thụ một vi hạt khác và lõi phức hợp này bị phân rã thành nhiều mảnh. Trong thí dụ mà một khối lượng M bị phân rã thành hai khối lượng m và m', hệ thức phân tán tương-đối-tính cho thấy dễ dàng là M > m+m', và tính ra được năng lượng thiếu hụt M – (m+m'). Ở tầm con người, việc nhân với hệ số c2 cho một năng lượng rất lớn, mà ta không thể lấy năng lượng của những phản ứng hoá học để lượng định. Chẳng hạn như, trong phản ứng phân hạch của nguyên tử urani 235 khi nó hấp thụ một nơtron, năng lượng liên kết được giải phóng ra tương đương với một Mêgawatt-ngày cho mỗi gram urani bị phân hạch. Những nơtron bắn ra khi phân hạch lại có thể được hấp thụ và gây ra một phản ứng dây chuyền : khi phản ứng bùng nổ, đó là bom A, khi được điều tiết, ta có năng lượng của các nhà máy điện nguyên tử. Trong chiều ngược lại, sự tổng hợp hạch nhân, tức là sự kiện hai lõi nguyên tử nhẹ hợp lại thành một lõi nguyên tử nặng hơn (thí dụ một lõi dơteri và một lõi Triti tổng hợp với nhau sẽ cho ra một lõi Heli và một neutron) sản xuất ra một năng lượng còn đáng kể hơn, vẫn do giải phóng năng lượng liên kết : đó là cơ chế hoạt động trong những vì sao... và trong bom H. Nếu được chế ngự, cơ chế tổng hợp hạt nhân sẽ đem lại miễn phí một nguồn năng lượng vô tận. Qua hai thí dụ trên, chúng ta thấy rõ hơn lợi ích thực tiễn của việc hiểu rõ hơn lực liên kết bên trong lõi nguyên tử, thực ra chính là điều người ta sẽ đặt tên « lực tương tác mạnh » trong lý thuyết trường lượng tử (xem các chuơng 5 và 6). Về ý nghĩa tổng quát trên phương diện khoa học, cuộc cách mạng của Einstein đã xác định một hệ hình mới, bắt buộc mọi lý thuyết về vật chất – cũng có nghĩa mọi lý thuyết lượng tử – phải được thực hiện trong khuôn khổ continum không-thời-gian của thuyết tương đối. Trường năng động Đến đây chúng ta sẽ xem xét một minh họa (vẫn không phải là bàn thêm cho vui, nhưng bạn đọc nếu bị bội thực về chuyên môn có thể đọc sau chương 4) về sự « tương đối hoá » của một lý thuyết vật lý cổ điển. Thí dụ nêu ra cũng không phải tình cờ, mà nằm trong ý hướng nhằm tổng hợp cơ học / điện từ học mà con người mãi đi tìm. Xin hãy nhớ lại cuối thế kỷ 19 (xem chương 2), nhờ vào phương pháp thống kê mà cơ học thuần lý đã thành công sáp nhập nhiệt lượng học vào lý thuyết nguyên tử, khi nguyên tử được lý tưởng hoá như một điểm vật chất. Nhưng việc gắn kết với lý thuyết sóng đã hiện ra như là chuyện phản tự nhiên, do bởi lưỡng tính, nếu không muốn nói là sự đối lập, giữa hạt và sóng : Các đặc tính vĩ mô của hạt và sóng Hạt Sóng Vị trí, hay sự tương tác Cục bộ, không gian chiếm hữu có giới hạn Không có vị trí nhất định, chiếm hữu không gian và thời gian vô hạn vận động quỹ đạo liên tục, vận tốc có giá trị nhất định và quan sát được cùng lúc lan truyền theo mọi hướng (không thể quan sát trực tiếp « momen » ảo của sóng) tính rời rạc và có thể đếm được Vật thể là đếm được và chia được thành nhiều vật thể riêng biệt Vật thể là không đếm được và không chia được thành nhiều vật thể riêng biệt Sự tổng hợp sẽ chỉ có thể diễn ra vào giữa thế kỷ 20 (xem các chương 4 và 5), nhưng con đường dài này bắt đầu với sự đột trội của khái niệm trường như chúng tôi đã lưu ý, khái niệm này đã lấn lướt khái niệm (thật đáng bàn cãi) về lực. Bằng một cách nào đó, cơ học thuần lý đã tiên liệu sự phát triển ấy khi nhường chỗ dần cho cơ học phân tích của Lagrange (kể từ 1788) và Hamilton (từ 1833), đó là một công trình chuyển đổi dạng toán học của cơ học sang ngôn ngữ trường (trong ý nghĩa đã được xác định ở một đoạn trên), triệt để loại bỏ những khái niệm về điểm vật chất và lực trong việc nghiên cứu một hệ thống đang vận động. Ta hãy khảo sát một hệ thống S đang vận động, gồm n điểm vật chất Mi, n có thể là vô tận (thí dụ trường hợp chất lỏng). Trong vật lý cổ điển, mỗi điểm có 3 bậc tự do (tương ứng với vị trí trong không gian của nó) và hệ thống có N = 3n bậc tự do. Mỗi điểm Mi còn mang theo những tham số động thí dụ như xung lượng, q→i=m.v→i. Ý tưởng khởi nguồn là đặt ra một không gian trừu tượng gồm N chiều, gọi là không gian cấu hình, rồi xây dựng trong không gian đó một trường (trong nghĩa đã xác định bên trên) mà ta sẽ gọi là trường năng động của hệ thống S, và giả định trường đó có khả năng mô tả tất cả những trạng thái của S cũng như sự biến chuyển của chúng. Trường đầu tiên vào loại này là trường Lagrange, L(qi,q˙i,t) (trong đó q˙i=dqidt là đạo hàm theo thời gian), dạng thức của hàm Lagrange này thường có thể được suy ra từ những nhận xét về « tính đối xứng » của S. Trong cơ học cổ điển trường Lagrange chính là hiệu số giữa động năng và thế năng. Điều thiết yếu cần ghi nhớ về không gian cấu hình là nó thuần tuý trừu tượng, cũng như các hàm qi (từ đó được gọi là những « toạ độ tổng quát hoá »), và vì thế cách đặt vấn đề toán học này có tầm áp dụng rất tổng quát, cho phép khảo sát đủ loại hệ thống phức tạp. Những quy luật chi phối sự vận động của S được suy ra từ một nguyên lý biến phân áp dụng trên một hàm tác dụng được định nghĩa như tích phân của hàm Lagrange trong không gian cấu hình. từ đó nguyên lý tác động cực tiểu có thể được phát biểu như sau : « Trong tất cả những quỹ đạo có thể nối hai điểm trong không gian cấu hình, quỹ đạo di chuyển thực sự của hệ thống là quỹ đạo cho ra một tác dụng cực trị » Từ nguyên lý này người ta suy ra những phương trình chuyển động của Euler-Lagrange, trong đó bao gồm tất cả các phương trình cơ học thuẩn lý, thành thử ra cơ học Lagrange hiện ra như một sự tổng quát hoá toán học của cơ học thuần lý, trong đó các khác niệm về lực và điểm vật chất đã bị đào thải. Cơ học Hamilton hoàn thiện hình thức toán học của cơ học Lagrange, trong đó các phương trình vi phân bậc hai của Euler-Lagrange được thay thế bằng những phương trình bậc một dễ dàng hơn của Hamilton-Jacobi. Trường năng động mới này gọi là trường Hamilton : H(qi,pi,t)=∑kNq˙kpk−L(qi,q˙i,t) trong đó pi≡∂L∂q˙i được gọi là momen liên hợp của qi. Trong cơ học cổ điển, trường Hamilton chính là toàn thể năng lượng, tổng của động năng và thế năng. Một lần nữa, điều quan trọng cần ghi nhớ về những định nghĩa nói trên là chúng thuần tuý trừu tượng, nằm trong khung cảnh của những trường tổng quát của không gian cấu hình... Dưới đây chúng ta sẽ đưa ngay những phương pháp này vào ứng dụng cho trường điện từ tương-đối-tính (và sau đó cho các trường lượng tử). Nguyên tắc của phương pháp khai triển cũng đơn giản. Những trường điện và từ cổ điển là đạo hàm của một trường (vô hướng) điện thế và một trường (vectơ) hiệu thế từ, và trong thuyết tương đối chúng phải được tổng hợp lại trong một trường vectơ thế năng bốn chiều. Để mô tả những tác động trên các vi hạt tích điện di chuyển trong một trường điện từ, người ta tạo một vectơ dòng điện bốn chiều mà các thành phần gồm điện tích và ba thành phần của vectơ mật độ dòng điện, quy luật bảo toàn dòng điện được biểu diễn qua đẳng thức độ phân kỳ bằng không. Sau đó người ta tính tích phân của tác dụng bất biến (qua nhóm Lorentz), gồm ba số hạng : thứ nhất là số hạng biểu diễn động năng của sự lan truyền trường điện từ khi vắng điện tích, thứ hai là động năng của sự lan truyền vi hạt mang điện tích khi vắng trường điện từ, và thứ ba là số hạng của một thế năng liên quan đến tương tác giữa trường điện từ và vật chất. Áp dụng nguyên lý tác dụng cực tiểu, người ta từ đó suy ra những phương trình Maxwell (tương-đối-tính). ([CTS] tr.88). Tóm lại, với dạng thức toán học Lagrange, ta nắm được một phương pháp luận có hệ thống để viết ra những phương trình mô tả sự vận động của các hệ thống đa dạng, với điều kiện đưa vào một số điều chỉnh và mở rộng thích hợp với mỗi hệ thống (nhưng đấy chính là trọng tâm của từng bài toán). Tuy nhiên, đó chỉ là một dạng thức toán học, không làm cho Einstein thoả mãn ở chỗ được ông nêu ra : « trong mọi lý thuyết cơ bản khác, không thể có việc cùng hiện hữu điểm vật chất, mà sự vận động được chi phối bởi những phương trình vi phân bình thường ; và trường, mà sự vận động được chi phối bởi các phương trình vi phân có đạo hàm riêng » ([CTS] tr.149), do đó mà ông đã kiên trì cố gắng tìm cách suy diễn ra khái niệm điểm vật chất trong một lý thuyết về trường, nhưng không thành công. Cuộc săn tìm này sẽ chỉ được kết thúc với lý thuyết trường lượng tử (đón xem hai chương 5 và 6). 4 - Từ cơ học ba động đến cơ học lượng tử Sự việc vừa kể đưa ta về một bài báo của Einstein tựa đề « Thuyết điện từ về bức xạ », trong đó ông nhận xét rằng những quanta tác dụng của bức xạ điện từ mang theo nó không những năng lượng mà còn, trong một số trường hợp, một vectơ xung lượng. Đó là trường hợp « hiệu ứng Compton » (1923), trong đó một photon (do tia bức xạ gamma truyền đi) khi va chạm không đàn hồi với một điện tử thì không phải chỉ truyền cho nó năng lượng mà cả xung lượng nữa : photon được khuếch tán sau va chạm này có năng lượng nhỏ hơn, điều thấy được qua bước sóng trở nên dài hơn, nhưng đồng thời các quỹ đạo của điện tử khuếch tán và photon khuếch tán bị phân kỳ so với photon đi tới, theo những góc độ có thể tính được theo cơ học tương-đối-tính. Như thế là có một bước tiến triển trong ý tưởng về lưỡng tính của ánh sáng, nó là sóng, và cũng là hạt. Trong luận án bảo vệ năm 1924, Louis de Broglie đã ký giấy khai sinh cho cơ học ba động khi táo bạo mở rộng lưỡng tính sóng-hạt cho mọi hạt vật chất trong thế giới vi mô. Lý luận của de Broglie vừa sử dụng thuyết lượng tử, vừa sử dụng thuyết tương đối. Khởi đi từ giả thuyết là hệ thức E = h.υ bao hàm sự hiện hữu của một tần số « riêng » υ liên kết với vi hạt đang được xem xét, và không cần để ý đến hiện tượng rung động mà tần số là υ, ông tìm cách liên hệ bước sóng λ với xung lượng tương-đối-tính của vi hạt. Ta nhớ lại rằng, với các sóng thì tích số λ.υ được gọi là « vận tốc pha », có ký hiệu vφ. Để tính biến số này, de Broglie định ra một nguyên lý « đồng pha », theo đó « hiện tượng tuần hoàn có chu kỳ υ’ trong hệ quy chiếu riêng của vi hạt luôn luôn đồng pha với một sóng lan truyền theo cùng hướng với vi hạt đang chuyển động » [một loại sóng dẫn-đạo, có thể nói thế]. Trong trường hợp một khối lượng m (ở trạng thái nghỉ), có chuyển động thẳng đều với vận tốc v, áp dụng một cách đơn giản các định nghĩa và phép biến đổi Lorentz, ta có v.vφ = c2 và υ = γ.υ’, trong đó như thường lệ γ là hệ số tương-đối-tính, 1/1−v2/c2−−−−−−−√. Đã biết E = h.υ = γ.mc2, người ta suy ra ngay công thức de Broglie, λ.p = h, với p là xung lượng tương-đối-tính. Bình luận của Einstein : « De Broglie đã vén lên một góc màn ». Năm 1927, thí nghiệm « quyết định » của Davisson và Germer, khi bắn một chùm điện tử chậm vào một tinh thể nickel, đã làm xuất hiện một hình dạng nhiễu xạ (xem hình 4.1 và 4.2), như thế là đã xác nhận được lưỡng tính sóng-hạt, và đem lại giải Nobel cho de Broglie năm 1929. Năm 1931, kính hiển vi điện tử, trong đó các photons được thay thế bằng điện tử, đã đưa cơ học ba động vào thực dụng. Nhưng các lý thuyết gia đã không đợi sự khẳng định này để toàn lực lao vào đặt lại cho cơ học một nền tảng lượng tử. « Các tác phẩm nền tảng của cơ học lượng tử, dạng thức toán học và sự diễn dịch chúng, đã được xây dựng trong những năm 1925 và 1926 bởi một nhóm nhỏ các nhà nghiên cứu xuất sắc ở bốn phương của một châu Âu vừa bị chiến tranh xâu xé ; và họ, chỉ trong vài năm, đã thực hiện một công trình kỳ lạ nhất của trí tuệ con người » (M. Crozon). Đó cũng là một trong những công trình làm cho trí tuệ con người bị rối loạn nhất, nó tách rời khỏi trực giác thường nghiệm xa đến nỗi mà cho đến nay, mặc dù những thành quả chói lọi, nó vẫn gây ra những bàn cãi không cùng về khoa học luận. Hình 4.1 Nhiễu xạ của của tia X quang (bên trái), và nhiễu xạ chùm điện tử (bên phải) Hình 4.2 Nhiễu xạ của chùm điện tử Cơ học ba động còn chưa trở thành cơ học lượng tử khi Erwin Schrödinger tiến vào triển khai hàm biến thiên theo thời gian của phương trình sóng de Broglie. Ý tưởng để khởi đầu của Schrödinger, hoàn toàn phù hợp với quan điểm lưỡng tính, là nghiên cứu sự tương đồng hình thức giữa quang học và cơ học ; nói chính xác hơn là, giữa nguyên lý biến phân của Fermat trong quang học hình học (ánh sáng truyền đi từ điểm này sang điểm khác trên một con đường mà cục bộ ở mỗi nơi thời gian di chuyển là cực tiểu), và nguyên lý tác dụng cực tiểu trong cơ học phân tích (phương trình Hamilton-Jacobi). Thế rồi, đối đầu với những khó khăn kỹ thuật nghiêm trọng, ông phải chịu hạn chế vấn đề trong khuôn khổ không tương-đối-tính, và năm 1926 Schrödinger đạt tới phương trình đạo hàm riêng tuyến tính ngày nay mang tên ông : iℏ∂Ψ(t,r→)∂t=−ℏ22mΔ→2Ψ(t,r→)+V(t,r→)Ψ(t,r→) P→^22m|Ψ(t)⟩+V(r→^,t)|Ψ(t)⟩=iℏddt|Ψ(t)⟩ (iℏ∂Ψ∂t(x,t)=(mc2α0−iℏc∑j=13αj∂∂xj)Ψ(x,t) Phương trình thứ nhất là phương trình không tương-đối-tính của Schrödinger ; phương trình thứ nhì cùng nội dung, nhưng được viết dưới dạng toán tử thao tác trên những vectơ trạng thái (xem phía sau) ; thứ ba là phương trình tương-đối-tính của Dirac, cũng viết dưới dạng toán tử. Schrödinger không thể đạt tới dạng phương trình tương-đối-tính vì không sử dụng khái niệm spin (tiếng Anh, có nghĩa là quay như con vụ) của vi hạt. Sau ông, hai phiên bản tương-đối-tính được xây dựng, một do Klein và Gordon năm 1926 cho các vi hạt có spin 0 (như… le boson BEH), và một do Dirac năm 1928 cho các vi hạt có spin ½ (như điện tử). Công trình thứ hai này đưa đến hệ luận – nếu có thể gọi như vậy một khám phá kinh hồn tới mức này – là sự hiện hữu cuả phản vật chất. Việc Anderson năm 1932 đã làm hiển lộ phản-điện-tử (hay positron) trong các bức xạ vũ trụ đã đem lại cho Dirac giải Nobel năm 1933 (chia với Schrödinger). Do Pauli gợi ý, dạng thức lý thuyết được Goudsmit và Uhlenbeck xây dựng năm 1925, spin có thể được mường tượng qua trực giác như momen động riêng của một vi hạt tự xoay vòng. Bậc tự do mới này, cộng vào ba bậc tự do không gian cố hữu, đã hoàn thiện được những khiếm khuyết trong mô hình nguyên tử của Bohr. Nhưng trực giác phải dừng lại ở đây, bởi vì bản thân Pauli đã chứng minh năm 1924 là một vi hạt có kích cỡ như điện tử, tự quay vòng như con vụ thì phải có một vận tốc tiếp tuyến lớn hơn c ! Trên thực tế, mặc dù spin là một tính chất vật lý chẳng khác gì khối lượng hay điện tích, nó cũng là một tham số lượng tử (còn gọi là số lượng tử, đón xem chương 5) có những giá trị rời rạc ( số nguyên hay số nguyên + ½), không có gì tương đương trong lý thuyết cổ điển, khác hẳn với, thí dụ như, vị trí, xung lượng, năng lượng... Ở đây ta chạm tới tiềm lực của các khái niệm lượng tử, nhưng cũng giáp mặt với sự khó khăn để phổ biến chúng : các khái niệm đã thoát ra khỏi trực giác thường nghiệm, ngôn ngữ toán học thoát ra khỏi cách hiểu bình thường, thế nhưng, các kết quả lại sờ sờ ra đó ! Spin đóng một vai trò quan trọng trong những hiện tượng từ tính và phân cực. việc mà spin của điện tử bằng + ½ hay – ½ (thay vì dấu cộng trừ, người dùng tiếng Anh chuộng nói « up » và « down », có nghĩa « cực Bắc ở trên, hay ở dưới ») giải thích cơ cấu mịn của quang phổ khí hydrô cũng như thí nghiệm Stern-Gerlach. Hơn thế nữa, spin còn có mặt trong những ứng dụng hàng ngày mà người bình thường được thừa hưởng tuy chẳng thể ngờ nó là nguồn gốc : việc thao tác các spin của lõi nguyên tử bằng phương pháp cộng hưởng từ đã đảo lộn công nghệ phổ-học (RMN) và công nghệ hình ảnh y khoa (IRM) ; việc thao tác các dòng spin trong mạch nano đã tạo ra công nghệ « điện tử spin » và cho phép sự bùng nổ của dung lượng bộ nhớ trong thẻ USB, máy nghe MP3, máy điện thoại di động « tài tình » (smartphone), và những thứ vật dụng tinh xảo khác... giải Nobel trao cho Albert Fert năm 2007 là một cách chứng nhận công nghệ điện tử spin. Cơ học lượng tử có tham vọng cung cấp một khung khái niệm tổng quát cho phép mô tả vận động của các vi hạt ở mức thang nguyên tử. Người ta sẽ phân biệt nó với cơ học ba động một cách võ đoán trên dạng thức lý thuyết của nó, lấy cảm hứng từ cơ học phân tích, và được phát triển vào khoảng trước sau những năm 1930. Cơ học lượng tử trong nghĩa đó được Heisenberg, Dirac, và «trường phái Copenhague» quy tụ chung quanh Bohr phát triển – một dạng thức có tiềm năng phong phú, nhưng, lý thuyết nhằm mô tả thế giới vật chất này lại trừu tượng không gì bằng, có lẽ ngoại trừ thuyết tương đối tổng quát. Đọc tiểu sử Dirac và Heisenberg, người ta có cảm tưởng họ là « những nhà toán học bị đày xuống trần », cho nên không phải tình cờ mà, năm 1930, bản trình bày của Dirac về những nguyên lý của cơ học lượng tử đã dựa trên cơ sở của không gian Hilbert và các toán tử hermite, một lý thuyết rút ra từ bộ môn giải tích hàm. Lại một lần nữa, ta để ý thấy « hiệu quả vô lý của toán học ». Bạn đọc chắc dễ dàng chấp nhận khái niệm trực giác về vectơ, nay xin chấp nhận thêm là không những có thể cộng các vectơ với nhau, mà còn có thể nhân các vectơ với những con số vô hướng có tên là « số phức », được tạo ra từ các số thực bằng cách thêm vào căn số bậc hai của –1 (ghi là i, vậy i2 = –1). Không gian Hilbert là một không gian vectơ có vô tận chiều (với một số vô tận bậc tự do) trong đó được xác định một phép nhân vô hướng (nhân vectơ với vectơ để cho kết quả là một số phức), được định nghĩa như một phép cặp đôi « tuyến tính kiểu một rưỡi », « không thoái hoá »... không cần giải thích ở đây. Một toán tử hermite trong không gian đó là một phép biến đổi các vectơ và tôn trọng các phép toán vectơ, nhưng còn tôn trọng thêm một loại tính đối xứng (mà ở đây cũng không đi vào chi tiết). Diễn tả một cách tổng quát, có nghĩa tránh không quy về bản chất của bất cứ hệ vật lý nào, sáu định đề của cơ học lượng tử được phát biểu như sau : Cho một hệ thống gồm một số đếm được và không đổi các vi hạt, các trạng thái của nó được biểu diễn bằng những vectơ trong một không gian Hilbert, gọi là vectơ trạng thái, hay hàm sóng, và thường được ghi bằng ký hiệu |x> (đây là quy ước viết có tên « bra-ket » của Dirac) Những đặc tính có thể quan sát của hệ thống được biểu diễn bằng những toán tử hermite trên không gian Hilbert, đơn giản được gọi là những khả-lượng(2). Thí dụ như : toán tử thế năng V, toán tử động năng K, toán tử Hamilton (toán tử tổng năng lượng), H = K + V Sự đo lường một đại lượng vật lý biểu diễn bằng một khả-lượng A chỉ có thể là giá trị riêng của toán tử đó. Xin nhắc lại là một vectơ riêng |x> của A liên kết với một giá trị riêng a phải thoả mãn đẳng thức A.|x> = a.|x>. Những giá trị riêng của một toán tử hermite luôn luôn là số thực. Mọi toán tử hermite H đều có một hệ đầy đủ các vectơ riêng en sao cho mỗi vectơ |x> của H chỉ có thể bằng một tổng vô hạn và hội tụ của một chuỗi số hạng an.|en>. Nếu tổng đó biểu diễn vectơ trạng thái |x> (được chuẩn hoá) ngay trước khi đo lường, thì xác suất để đo lường cho kết quả an bằng |an|2, bình phương của môđun của an. Tiên đề có tính xác suất này thừa hưởng từ Max Born (giải Nobel 1954) Ngay sau khi đo lường, vectơ trạng thái trở thành một vectơ riêng tương ứng với giá trị riêng kết quả của phép đo (hiện tượng « giảm-sóng » theo tiếng Pháp, hay « sụp-sóng » theo tiếng Anh) Trạng thái của mọi hệ thống lượng tử không-tương-đối-tính là một nghiệm của phương trình Schrödinger theo thời gian ; nói cách khác, trường Hamilton khi ấy chi phối vận động theo thời gian của hệ thống. Niels Bohr có thói quen nói : « người nào không bị choáng trước lý thuyết lượng tử thì là người không hiểu nó ». Thực thế , phản ứng đầu tiên của người ngoại đạo trước 6 tiên đề trên có thể tóm tắt bằng lời tán thán : « thật quái-quái-đản-đản ! ». Người trong nghề thì chắc là có khúc mắc với chính tiên đề có tính xác suất của Max Born. Không đi vào các bàn cãi khoa học luận, chúng ta hãy bằng lòng với việc xem xét kỹ càng một vài hệ luận nổi tiếng của tiên đề 4 : Nguyên lý bất định của Heisenberg Định đề 1 xác lập một biểu thức có tính tiên đề về lưỡng tính hạt-sóng ; vì lẽ một sự vật lượng tử có một độ rộng (trong không gian) và có một độ lâu (trong thời gian), biểu thức này không mô tả sự vật bằng một tập hợp những giá trị vô hướng (các toạ độ của vị trí và vận tốc), mà bằng một hàm sóng mô tả sự phân phối của nó trong không gian và thời gian (xem hình 4.3). Nhưng, theo trực giác thì một vi hạt « hoặc ở chỗ này, hoặc ở chỗ kia », trong khi một sóng thì « ở đâu cũng có nó », và công thức của de Broglie kết nói xung lượng với tần số (xem bên trên) đã mang theo mầm mống của một nguyên lý bất định rồi : thí dụ như, nếu biết tần số của sự vật lượng tử thì chỉ biết xung lượng của nó, tức là tích của khối lượng và vận tốc, chứ không biết được cả khối lượng lẫn vận tốc. Trong dạng thức toán học lượng tử, Heisenberg (giải Nobel 1932) giải thích sự bất định này bằng tính chất « bất giao hoán » của các (toán tử dùng biểu diễn) khả lượng. Thật thế, theo chính định nghĩa của chúng, tích của hai toán tử không nhất thiết phải giao hoán, có nghĩa A.B có thể khác B.A ; hiệu số của chúng, được đặt tên là « (cái-)giao-hoán », viết [A, B], lượng định mức độ không đủ giao hoán. Với những khả-lượng vị trí x^ và xung lượng p^, phương trình Schrödinger có hệ quả là giao-hoán [x^, p^] bằng iħ, trong đó ħ là hằng số Planck đã tiểu chuẩn hoá. Định đề 4 như vậy bao hàm ý tưởng là người ta không thể cùng một lúc lượng định một cách chính xác vị trí và xung lượng, hay nói rõ hơn là tích của độ lêch chuẩn của hai đo lường đó phải lớn hơn hay bằng ħ/2. Một sự mất chính xác tương tự tác động vào cặp năng lượng - thời gian, tích của độ lêch chuẩn phải lớn hơn hay bằng ħ. Vào năm 1927, Heisenberg phát biểu nguyên lý bất định tổng quát (thực ra đây là một định lý, chứng minh từ các tiên đề lượng tử), qua hình thức toán tử dưới dạng sau : ΔA⋅ΔB≥12 |⟨ [A^,B^]⟩γ| trong đó A và B là hai khả lượng, A^ và B^ là các toán tử tương ứng, ⟨⟩γ là trị trung bình của trạng thái |γ⟩ Δ X là độ lệch chuẩn của X : ⟨X^2⟩γ−⟨X^⟩2γ−−−−−−−−−−−√ h43 Hình 4.3 Hàm sóng của khí hydrô cùng với mật độ xác suất Trên quan điểm vật lý, bất đẳng thức trên đây có nghĩa là, do quantum tác dụng của Planck, hễ tăng độ chính xác trong việc đo lường một khả lượng thì lại mất độ chính xác của khả lượng kia. Điều quan trọng cần nhấn mạnh là nguyên lý Heisenberg không nói gì về bản thân sự đo lường nào (chẳng hạn sự tuỳ thuộc vào công cụ đo lường), mà về hiện tượng cơ bản là không thể cùng xác định chúng. Chính vì vậy mà nên nói về nguyên lý bất định, hơn là « nguyên lý mất chính xác ». Dù sao đi nữa, giữa tất định thuyết và nguyên lý bất định, cuộc cãi vã khoa học luận đang nhức nhối hoành hành. Người ta nghe nhiều về câu nói của Einstein « Thượng đế không chơi trò súc xắc », nhưng có lẽ ít người biết câu trả lời của Bohr : « Einstein, ông là ai mà dám bảo Thượng đế nên hay không nên làm gì ? » Con mèo của Schrödinger 44 Hai vectơ có thể cộng với nhau, do đó tiên đề 1 và tuyến tính của phương trình Schrödinger trong tiên đề 4 cho phép hai trạng thái bất kỳ được « song trùng » theo cách nói của các nhà vật lý. Nhưng « nguyên lý song trùng » này, khi được ghép với các nguyên lý lượng tử khác về đo lường (tiên đề 2 và 4), sản sinh ra những nghịch lý khi người ta làm song trùng hai trạng thái mâu thuẫn với nhau. Một trạng thái song trùng có thể vui vẻ minh hoạ nghịch lý này được viết như sau : (1/2√).(|so^′ng⟩+|che^′t⟩) (trong đó trị vô hướng ở đầu biểu thức chỉ vai trò chuẩn hoá các vectơ sao cho các xác suất đều nhỏ hơn 1). Cụ thể hơn, Schrödinger đã tưởng tượng ra một thí nghiệm « ở trong đầu », được thực hiện bằng cách nhốt một con mèo trong một cái hộp, cùng với một thiết bị (bình khí độc xyanua, theo Schrödinger, thùng thuốc súng, theo Einstein) nhằm giết chết con mèo ngay khi nó phát hiện một nguyên tử của một chất phóng xạ tự phân rã (xem hình 4.4). Giả thử trung bình sau một phút thì xác xuất nguyên tử tự phân rã là một trên hai, vậy ở thời điểm đó thì con mèo còn sống hay đã chết ? Theo những nguyên lý về đo lường của cơ học lượng tử, một khi chưa được quan sát thì nguyên tử ở trong trạng thái song trùng, có nghĩa, bằng cách nào đó, nó vừa còn nguyên vẹn vừa đã phân rã, và do đó con mèo cũng như thế, vừa sống vừa chết cho đến khi cái hộp được mở ra và kích hoạt (tiên đề 2) sự chọn lựa giữa một trong hai trạng thái. Tóm lại, không phải là không thể trả lời câu hỏi nếu không mở hộp ra xem, nhưng chính là câu trả lời không có trong hộp trước khi người ta mở nó ra !!!. Hình 4.4 Con mèo của Schrödinger Thực ra, một thí nghiệm tương đương với thí nghiệm giả tưởng có « con mèo quỷ nhập tràng » của Schrödinger có thể được thực hiện trong thực tế, đó là thí nghiệm hai khe của Young. Năm 1801 đây đã là một thí nghiệm « quyết định », làm cho cán cân nghiêng về phía chấp nhận bản chất sóng của ánh sáng (xem chương 3) : khi dùng một nguồn sáng độc nhất chiếu vào một màn che có rạch hai khe hở hẹp, người ta cho thấy hai nguồn sáng xuyên qua màn che và giao thoa với nhau, sự giao thoa hiện lên một màn ảnh thành ra những vạch sáng tối đan xen (xem hình 4.5). Làm thí nghiệm kiểu ấy với những chùm vi hạt, người ta cũng tạo ra được những hình giao thoa, trong khi tưởng rằng chúng phải tụ tập một cách đơn giản thành một mảng trên màn hình sau hai khe. Còn lạ hơn nữa, nếu người ta không bắn cả chùm hạt mà bắn từng hạt một (hạt photon hay điện tử), như trình độ kỹ thuật hiện nay cho phép, sau rất nhiều lần vẫn hiện ra các vạch giao thoa như trong thí nghiệm của Young. Diễn tả của cơ học lượng tử là, cũng như con mèo của Schrödinger, vi hạt ở trong một trạng thái song trùng, « đã qua cả hai khe cùng một lúc ». Hiệu ứng đường hầm, được sử dụng trong «kính hiển vi dùng hiệu ứng trường / đường hầm» (xem hình 1.1 và 1.2 trong chương 1) cũng thuộc cùng một hiện tượng nghịch lý. Hiệu ứng này là hiện tượng một sự vật lượng tử có thể vượt qua một hàng rào thế năng ngay cả khi năng lượng của nó thấp hơn năng lượng tối thiểu cần đến. Thực vậy, khi gặp hàng rào thế năng thì hàm sóng trở nên yếu đi theo hàm mũ, nhưng cũng không triệt tiêu hoàn toàn (đó là hiện tượng «sóng suy biến» trong điện từ học), thành ra có một xác suất, nhỏ nhưng không bằng không, để vi hạt xuất hiện bên kia hàng rào. Hình 4.5 Thí nghiệm hai khe của Young Các vi hạt đi qua hai khe từng hạt một vẫn cho thấy các vạch giao thoa, y hệt như khi thí nghiệm với ánh sáng. Fermion đối lập với Boson Mãi tới đây chúng ta mới xây dựng đủ cơ sở để đưa ra định nghĩa cho một boson. Nguồn gốc của cách gọi này là tên nhà vật lý Ấn Độ Satyendranath Bose, người đã cùng Einstein phát triển trong những năm 1920 một phép thống kê lượng tử, để sử dụng trên các photon. Thời đó các nhà vật lý nhận ra rằng phép thống kê cổ điển theo Boltzmann không áp dụng được một cách thuần nhất cho mọi vi hạt, điều này gây khó khăn lớn cho việc phân tích các cấu hình để tính toán entrôpi. Các phép thống kê lượng tử thay thế cho thống kê Boltzmann có liên quan tới hiện tượng không-thể-phân-biệt các hạt đồng nhất theo nguyên lý lượng tử ([CTS] tr.176). Hãy coi hai vi hạt đồng nhất 1 và 2, có thể ở trong các trạng thái lượng tử a và b, ta ghi bằng ký hiệu |ψ1> và |ψ2> hai cấu hình sau : {1 ở a, 2 ở b}, {1 ở b, 2 ở a}. Nhưng vì |ψ1> và |ψ2> là không-thể-phân-biệt, định đề 4 bao hàm hệ luận là biên độ xác suất của chúng là hai số phức có môđun bằng nhau ; nghĩa là tích q của hai biên độ đó có môđun bằng 1 ; việc hoán đổi hai vi hạt cho ta thấy q2 = 1, vậy q chỉ có một trong hai trị : +1 và -1. Nếu q = + 1, ta gọi loại vi hạt đó là những bosons (thí dụ các photons) ; nếu q = -1, chúng là những fermions (thí dụ :các điện tử). Người ta chứng minh được bằng toán học rằng spin của các fermions có trị là số nguyên rưỡi, và spin của các bosons có trị là số nguyên (định lý cơ bản liên kết spin và phép thống kê vi hạt). Để nói cho có màu mè, các vi hạt tụ tập thành hai băng đảng, băng đảng theo « cá nhân chủ nghĩa » sẽ ngăn chận chúng ta không cho đi qua, và băng đảng theo « bầy đàn chủ nghĩa » sẽ làm loá mắt chúng ta vì ánh sáng chói lọi. Nói một cách khoa học hơn, những fermions tuân theo phép thống kê có tên «thống kê Fermi-Dirac»; vì q = -1 nên nếu a = b ta thấy ngay là |ψ1> = 0, nói cách khác, không thể có (hiểu một cách xác xuất) hiện tượng hai fermions đồng nhất cùng trạng thái lượng tử và ở cùng một vị trí ; đặc biệt, điều này giải thích là không thể xâm nhập vào bên trong vật chất, vì proton, nơtron và điện tử đều là những fermions. Về phần chúng, các bosons tuân theo « thống kê Bose-Einstein » : chúng có khuynh hướng kết tập trong những trạng thái lượng tử có năng lượng thấp nhất, nơi các biên độ xác xuất có khuynh hướng cộng lại với nhau ; đó là sự « ngưng tụ Bose Einstein », chính ngưng tụ này giải thích tại sao có hiện tượng « kích phát đồng thời » của các photons (mà Einstein nói đến trong bài báo đã dẫn ở ngay đầu chương này), ở nguồn gốc của hiệu ứng laser. Cái « hiệu quả vô lý của toán học » của những nguyên lý lượng tử đặt ra cũng vẫn những câu hỏi khoa học luận mà chúng tôi đã gợi ra trong chương 3 về những lý thuyết khác. Thái độ của đa số nói chung vẫn là « sự thực dụng » của trường phái Copenhague, mà Stephen Hawking, trong những ngày vui vẻ, tóm tắt như sau : « Tôi không đòi hỏi một lý thuyết phải phản ảnh hiện thực, vì tôi chẳng biết hiện thực là gì. Đó không phải là thứ người ta có thể thử bằng giấy nghiệm pH [loại giấy có phản ứng đổi màu tuỳ theo độ pH của chất lỏng được thử nghiệm]. Điều quan trọng duy nhất với tôi là lý thuyết tiên đoán đúng đắn kết quả của thí nghiệm ». Còn khi mất vui, ông nói : « Hễ thấy con mèo của Schrödinger là tôi rút súng ra liền ». Nguyễn Quang Bản dịch: Hàn Thuỷ (1) Các ứng dụng kỹ thuật sẽ được tô vàng như ở đây. (2) Thuật ngữ do người dịch đề nghị, diễn nôm là:có thể (khả) đo lường (lượng)
|
|
|
Post by Can Tho on Apr 1, 2014 4:25:21 GMT 9
Tất cả những gì bạn vẫn muốn biết từ lâu về vật chất, nhưng còn ngại hỏi – Phần-III Nguyễn Quang nguyên tác bằng tiếng Pháp. 5- Từ RQM tới QFT (i) Mặc dù đã đạt nhiều thành quả, cơ học lượng tử tương đối tính (RQM) vẫn chịu một khiếm khuyết quan trọng : Trước khi có công trình « lượng tử hoá lần thứ hai » do Dirac tiến hành, lý thuyết RQM chỉ có thể mô tả các hệ thống gồm một số vi hạt nhất định, không đổi và không tương tác với nhau ; đặc biệt là cơ chế đầy đủ của các tiến trình sinh và diệt của vi hạt hoàn toàn nằm ngoài lý thuyết, ngay trong khi mà việc kết hợp cơ học lượng tử và thuyết tương đối của Dirac đã mang đến phản-vật-chất. Cần phải lấp khoảng trống ấy, dù chỉ là để sắp xếp cái sở thú những hạt « cơ bản » (có đến hơn 400, vào đầu những năm 1950) ngày càng thấy nhiều cùng với sự phát triển các máy gia tốc ngày càng mạnh, về chuyện này Enrico Fermi đã khôi hài : « nếu tôi có thể nhớ hết tên những thứ trong cái chuồng này, tôi có lẽ nên làm người gác sở thú, chẳng nghiên cứu vật lý làm gì ! » (bảng 5.1). Không phải vì thế mà người ta không có thể áp dụng phương pháp sơ đẳng nhất trong các khoa học tự nhiên, đó là sự phân loại, để có thể làm lộ ra một cách thử nghiệm những cấu trúc tiềm ẩn của chúng (như Mendeleïev đã thực hiện trong bảng tuần hoàn các đơn chất). Việc nghiên cứu « lực liên kết » trong lõi nguyên tử và sự phân rã bêta làm cơ sở đưa đến ý tưởng rằng, ngoài hai loại tương tác được biết đến trong vật lý học cổ điển là tương tác hấp dẫn và tương tác điện từ, sẽ rất thuận tiện nếu ta thêm vào hai loại tương tác mới nữa : tương tác mạnh và tương tác yếu, mà cường độ và phạm vi hoạt động được tóm tắt trong bảng 5.1. Xin để ý điều làm cho người ta gán thêm tính từ (mạnh hay yếu) cho tên gọi của hai loại tương tác này, đúng là vì cường độ của chúng, nhưng cũng vì xác suất xuất hiện nữa : xác suất làm nảy sinh phản ứng hạch nhân khi bắn một chùm vi hạt alpha vào một lõi nguyên tử (như trong thí nghiệm của Rutherford) là mạnh ; xác suẩt phân rã xẩy ra trong hiện tượng phóng xạ bêta thì yếu hơn, điều này được chứng minh qua việc nửa tuổi đời của nơtron nằm trong quãng thời gian vĩ mô (khoảng 15 phút). Tập hợp bốn tương tác cơ bản được coi như chi phối và giải thích được tất cả các hiện tượng vật lý mà con người biết đến, trong đó người ta biết rằng lực hấp dẫn trở nên không đáng kể ở kích cỡ nguyên tử hay hạ nguyên tử. Một phân loại đầu tiên chia ra ba nhóm : photon, chịu tác động của tương tác điện từ ; các hadrons, chịu tương tác mạnh ; và leptons, chịu tương tác yếu, cũng như lực tương tác điện từ (trừ nơtrinô). Rồi các vi hạt chịu tương tác mạnh lại được chia thành hai nhóm nhỏ theo spin của chúng: các baryons (nặng) với spin = 1/2 hay 3/2, và các mésons (trung bình) với spin = 0 hay 1. Việc phân loại tinh tế hơn nữa có lên hệ đến các số lượng tử, nghĩa là trị số riêng của các toán tử giao hoán được với trường Hamilton (xem chương 3), và có vai trò xác định những tính chất bất biến trong vận động của vi hạt : trong đó có spin, nhưng còn có « sắc-tính », « duyên-tính », « vị-tính », « kỳ-tính »(ii)... Hiển nhiên, người ta nghi rằng trong cái danh mục giống như một bài thơ siêu thực này, nhiều vi hạt « cơ bản » là không cơ bản, và có nguồn gốc từ những quá trình tương tác giữa một số ít hơn các vi hạt thực sự cơ bản. Đó là điều mà bảng 5.3 cho thấy, bảng này tóm lược các thành tố tối hậu (cho đến nay) của vật chất và các tương tác giữa chúng, và trong đó boson BEH cuối cùng cũng có chỗ của nó. Tương tác Lý thuyết hiện hành Trung gian Khối lượng (GeV/c2) Công suất tương đối Bán kính vùng tác động (m) Biến thiên theo khoảng cách Mạnh Sắc động học lượng tử (QCD) 8 gluons 0 1 2,5·10−15 1r7 Điện từ Điện từ học lượng tử (QED) photon 0 10-2 ∞ 1r2 Yếu Lý thuyết điện yếu W+, W-, Z0 80, 80, 91 10-13 10−18 từ 1r5 đến 1r7 Hấp dẫn Thuyết tương đối rộng graviton (giả định) 0 10-38 ∞ 1r2 Bảng 5.1 Tóm lược bốn tương tác cơ bản Bảng 5.2 Các vi hạt cơ bản trong những năm 1950 Bảng 5.3 Các vi hạt cơ bản trong mô hình chuẩn Nhưng, như chúng tôi đã báo trước với độc giả, vén lên quá sớm bức màn của hồi kết sẽ chỉ đem lại hàng loạt câu hỏi – thực ra đó sẽ là tất cả những câu hỏi mà lý thuyết trường lượng tử (QFT) sẽ phải giải quyết. QFT là lý thuyết hậu duệ của lý thuyết RQM (Relativistic quantum mechanics – Cơ học lượng tử tương đối tính) sau khi đã trải qua những dạng thức tiếp nối / bổ sung ; từ QED (quantum electrodynamics, điện động học lượng tử) cho đến QCD (quantum chromodynamics, sắc động học lượng tử), từ đối xứng chuẩn cho đến sự phá vỡ tự phát đối xứng. Chính ở đây chúng tôi đã đụng phải giới hạn của khả năng phổ biến khoa học, bởi vì, khi các khái niệm không còn có điều tương tự trong vật lý học cổ điển (thí dụ như các số lượng tử), chỉ còn ngôn ngữ toán học là có thể dùng để định nghĩa chúng một cách chính xác. Ngôn ngữ của trực giác còn giữ được khả năng gợi ý, nhưng giá phải trả là sự mơ hồ, và đôi khi sự lẫn lộn đến từ những suy luận dựa trên những tương tự giả tạo. Cuộc lượng tử hoá lần thứ nhì Trước khi lại chồng chất thêm vài tiên đề lên trên sáu định đề đã đề cập trong chương 4, tưởng cũng nên xem xét, do giá trị khai phá của chúng, hai phác thảo đầu tiên nhằm mô tả các tương tác yếu và mạnh, lần lượt do Fermi và Yukawa đề nghị trong các năm 1934 và 1935 : – Trong hiện tượng phóng xạ bêta, một nơtron biến thành bộ ba proton + điện tử + nơtrinô, cặp proton + điện tử đảm nhận sự bảo toàn điện tích và cặp proton + nơtrinô đảm nhận sự bảo toàn khối lượng. Xin nhớ là vào lúc ấy, nơtrinô chỉ là một vi hạt giả định, do Pauli sáng tạo ra, có một khối lượng cực kỳ nhỏ (nhưng khác không) do đó thật sự đặc biệt khó phát hiện ; nó chỉ được làm lộ diện vào năm 1956. Những giải thích đầu tiên về cơ chế phóng xạ bêta đều hiểu ngầm là điện tử đã nằm sẵn trong lõi nguyên tử. Đoạn tuyệt hẳn với định kiến đó, trong mô hình do Fermi (giải Nobel 1938) đề nghị thì cả điện tử lẫn nơtrinô đều không hiện hữu trước, chúng được tạo ra trong một tương tác « đụng độ » giữa bốn fermions, nói chính xác hơn là giữa hai cặp fermions - phản-fermions. Thuyết của Fermi có thể được coi như một tiệm cận gần đúng (trường hợp năng lượng thấp) của QED, lý thuyết thống nhất hai lực điện từ và yếu trong mô hình chuẩn, với điều kiện thay thế các tương tác « đụng độ » bằng các tương tác trao đổi, qua một bộ ba bosons W trung gian (xem dưới đây). – Vừa hay, mô hình do Yukawa (giải Nobel 1949) đề nghị đã giải thích tính kết cấu chặt của lõi nguyên tử bằng tương tác giữa các nucléons qua sự trao đổi một vi hạt giả định, được đăt tên là meson π , hay pion, với khối lượng bằng 200 lần khối lượng điện tử, và vi hạt này được phát hiện năm 1947. Trong lý thuyết QCD của mô hình chuẩn, meson là lượng tử của trường tương tác mạnh. Khi được trao đổi, vi hạt này trở thành không định xứ, có phần giống như con mèo của Schrödinger, và định đề « giảm sóng » có hệ luận là nếu đã phát hiện ra nó thì sự trao đổi giữa hai nucleons trong cuộc đã bị gián đoạn. Nguyên lý bất định của Heisenberg khi đó cho phép người ta xác định các giới hạn của biến đổi năng lượng (tức cũng là khối lượng) và của thời gian di chuyển vi hạt - năng lượng đó (xem chương 2), hình thành một « cái hộp » mà kích thước được xác định bởi hằng số Planck. Như thế là, từ kích thước của nguyên tử, Yukawa đã có thể ước tính khối lượng của meson π. Hai phác thảo nói trên của QFT làm hiện rõ nguyên lý về sự sinh / diệt của một số vi hạt trong sự tương tác giữa các trường. Đây cũng là một cách trả lời cho ước vọng thống nhất trường và hạt của Einstein (đã được nhắc đến tại cuối chương 3) : « Dưới dạng đã chín muồi của nó, ý tưởng của thuyết QFT cho rằng các trường lượng tử là chất liệu cơ bản của vũ trụ, và rằng các hạt chỉ là những gói năng lượng và mômen của các trường đó […] lý thuyết QFT như vậy đã đưa đến một quan niệm thống nhất hơn về tự nhiên so với cách diễn tả lưỡng tính cũ, dùng đến cả hai khái niệm hạt và trường » (S. Weinberg, giải Nobel 1979). Đã đến lúc trình bày dạng thức của công trình « lượng tử hoá lần thứ hai », mà, như chúng tôi đã nhắc đến, sự khiếm khuyết của một ngôn ngữ không toán học làm cho diễn ngôn trở thành mơ hồ và sơ sài hơn các đoạn trước. Bước đầu tiên có nội dung diễn tả những dữ kiện về các vectơ trạng thái và về các khả-lượng (xem chương 4) như những dữ kiện về các trường, được xác định cho mỗi điểm trong không-thời-gian, theo ý nghĩa trong chương 3. Trong mọi trường hợp, chúng ta sẽ gọi tên chúng là các trường lượng tử. Từ đó ta ghi nhận rằng nguyên lý song trùng của RQM (định đề 1) từ một khởi đầu tuỳ tiện, trở thành tự nhiên, bởi vì theo chính định nghĩa của chúng, các trường có thể song trùng. Ở bước thứ nhì cần được đưa thêm vào các toán tử trường ; để thuận tiện về mặt toán học, người ta không định nghĩa chúng trong không thời gian, mà bằng khái niệm mômen liên hợp trong không gian cấu hình (xem chương 3). Có thể nói, theo một nghĩa nào đó, rằng trong khi RQM đã lượng tử hoá cơ học thuần lý, thì QFT sẽ lượng tử hoá cơ học phân tích. Các mômen liên hợp của dạng thức toán học Lagrange được thay thế bằng các toán tử đại diện cho những khả lượng, như trong RQM, và chúng sẽ tuân thủ các hệ thức giao hoán (xem chương 4) tuỳ theo, dĩ nhiên, việc diễn tả vật lý của các momen đó. Một khó khăn chuyên môn : làm sao xác định không gian Hilbert trên đó các toán tử trường thao tác ? Bởi vì các vi hạt trong hệ thống được nghiên cứu có nhiều loại, lại có số lượng thay đổi, không gian quy chiếu phải bao gồm đủ các không gian trạng thái của chúng, lại còn cần phản ảnh những đặc tính thống kê khác nhau trong vận động của chúng (Bose-Einstein hay Fermi-Dirac). Trong vật lý học thống kê đã có sẵn một không gian thích hợp, không gian Fock. Khi được áp dụng vào trong khung cảnh lượng tử, nó trở thành một sự bội trùng(iii) vô tận (về mặt toán học, đó là một tổng trực tiếp của các tích tenxơ) của tất cả mọi không gian trạng thái của các vi hạt trong hệ thống, trên đó được người ta tác động bằng một toán tử nhằm đối xứng hoá hay phản đối xứng hoá chúng, tuỳ theo chúng là bosons hay fermions. Không gian Fock được lượng tử hoá bởi các số chiếm hữu, hợp thành một cơ sở thuận tiện cho nó, và được định nghĩa như sau : trong một không gian trạng thái nhất định của một tập hợp các vi hạt đồng nhất, chấp nhận một cơ sở |ψj⟩, con số chiếm hữu |n0, n1,…, nk> chỉ định trạng thái tương ứng với n0 vi hạt trong trạng thái |ψ0⟩,…, nk vi hạt trong trạng thái |ψk⟩. theo quy ước, |0⟩ chỉ định trạng thái «rỗng», tức là trạng thái của mức năng lượng thấp nhất (chứ không phải hư vô!). Không gian Fock là không gian biểu diễn của hiện tượng học lượng tử, các toán tử trường sẽ tác động trên không gian này để tạo ra các sự kiện, đó chính là phát ra hoặc hấp thụ một lượng tử trường ([CTS] tr.162). Do vậy, về mặt toán học, các toán tử này nằm trong cấu trúc algebra phát sinh từ hai toán tử diệt và sinh, có ký hiệu viết theo thứ tự a và a†, chúng là những toán tử phụ hợp trong nghĩa toán học, và tác động trên một trạng thái Fock bằng cách thêm hoặc bớt đi một vi hạt. Đặc biệt là, trong cơ sở gồm các số chiếm hữu, toán tử diệt ai tác động trên |n1,…, nk> bằng cách biến đổi ni thành ni + 1 và không thay đổi các toạ độ khác. Các toán tử của cấu trúc algebra từ đó có thể được biểu diễn bằng các toạ độ ai và a†j, một cách trực tiếp hay thông qua phép biến đổi Fourier. Trong trường hợp đơn giản của một « trường tự do » (nghĩa là không có tương tác) của các bosons chẳng hạn, trường Hamilton (trong đó Ek là động năng) được viết như H=∑kEka†kak, và toán tử diệt của các bosons (trong đó r là vectơ vị trí và k_i là một vectơ sóng) là : ϕ(r)≡∑ieki.rai. Trong một tương tác giữa các trường, việc chuyển đổi từ không gian Fock các trường tự do đầu vào sang không gian Fock các trường tự do đầu ra được mô tả bằng một ma trận khuếch tán : các thành tố của ma trận là những biên độ (số phức) chuyển tiếp, và bình phương môđun của chúng cho ta xác suất của các sự kiện xuất hiện trong chuyển tiếp. Điều cần ghi nhớ đằng sau tất cả những dạng thức toán học này, là một bước tiến tới nữa trong quá trình loại bỏ dần khái niệm thực thể để nhường chỗ cho khái niệm trường, đã được Einstein và Infeld nêu lên khi nói về điện động học (xem chương 3). Trường không còn đơn giản là một thủ thuật toán học nữa, nó trở thành một khái niệm tiên khởi của vật lý vi hạt : vi hạt - khối lượng / vi hạt - năng lượng của thuyết tương đối đã bị lu mờ sau quantum tác dụng(iv) của cơ học lượng tử, và đến lượt nó khái niệm này lại tự xoá mờ để hiện hình ra thành một quantum tương tác giữa các trường lượng tử. Để diễn tả rõ hơn quan điểm trên, chúng ta hãy theo quy ước trong [CTS] để viết hoa khi nói về các trường, và viết chữ thường khi nói về lượng tử (photon là lượng tử của trường Photon; trường Điện tử có hai lượng tử là điện tử âm và điện tử dương) bây giờ ta lấy thí dụ về điện động học lượng tử (QED) : « Trên quan điểm vi hạt, QED là lý thuyết về sự tương tác giữa các điện tử âm và dương, và photons ; trên quan điểm trường lượng tử, đó là lý thuyết truyền bá và ghép đôi của Điện tử và Photon » ([CTS] tr.192). Về cuối đời (sau công trình lượng tử hoá lần thứ hai của Dirac, nhưng trước khi có bùng nổ của các lý thuyết QFT ), Planck đã nói, có phần thản nhiên cam chịu : « Tôi vốn là người đã dành cả cuộc đời cho bộ môn khoa học chặt chẽ nhất, nghiên cứu về vật chất, sau đây là tất cả những gì tôi có thể nói với bạn về những kết quả nghiên cứu của tôi : không có vật chất đâu ! » (1947) 6- Từ đối xứng chuẩn tới mô hình chuẩn Trong cơ học phân tích cũng như trong lý thuyết trường, người ta sử dụng một số nhỏ những nguyên lý cơ bản về « đối xứng » để xây dựng hàm Lagrange, và từ đó suy ra những bất biến động, có nghĩa những đại lượng không đổi trong khi hệ thống đang vận động. Trong QFT, chính sự biểu diễn những bất biến này như là hàm của các toán tử liên hợp diệt và sinh đưa đến các hệ thức giao hoán đặc trưng của trường (xem chương 5). Không nên hiểu thuật ngữ không rõ rệt « đối xứng » theo một nghĩa toán học chật hẹp (đối xứng qua điểm, hay trục...), mà nên cho nó một nội dung trực giác rộng rãi hơn : Nếu suy xét kỹ chúng ta sẽ thấy rằng các quy luật vật lý đã trình diện trong bài này đều được đặt trên nền tảng của một vài nguyên lý bảo tồn đơn giản đến mức đáng ngạc nhiên, chẳng hạn như sự bảo tồn khối lượng / năng lượng, xung lượng, mômen xung lượng(v)... Nhưng chúng ta cũng đã thấy, tính chất thực dụng của các nguyên lý này hiển lộ ngay khi người ta tìm cách định nghĩa một cách thực rõ rệt cái đại lượng được bảo tồn. Trên thực tế, việc toán học hoá những khái niệm này chỉ mới có từ những nằm đầu thế kỷ 20, theo dòng phát triển của chương trình nghiên cứu toán học Erlangen, với định lý của Emmy Noether, rồi đến những đối xứng chuẩn của Hermann Weyl. Emmy Noether (1882-1935) (1) Chương trình Erlangen lừng danh do David Hilbert và Félix Klein đề nghị năm 1872 nhằm đặt nền tảng toán học cho hình học trên những tác động nhóm và những cái bất biến trong các tác động đó. Xin nhắc lại nhanh, một nhóm là một tập hợp các toán tử mang theo một luật hợp thành * , luật đó tuân thủ một số quy tắc như tính kết hợp (tức a*(b*c) = (a*b)*c), nhưng không giao hoán (tức a*b không cần phải bằng b*a). Nếu tập hợp E, trên đó nhóm G thao tác, bản thân nó cũng mang một cấu trúc (không gian vectơ, không gian Hilbert, xem chương 4), và nếu G bảo tồn cấu trúc ấy, ta định nghĩa G là một nhóm đối xứng đối với cấu trúc của E. Một thí dụ tiêu biểu về nhóm và những bất biến của nó là nhóm Lorentz trong thuyết tương đối hẹp. Sau đây là một thí dụ khác, sơ đẳng nhưng đáng giá ở chỗ nó cho phép phân biệt giữa các biến đổi « rời rạc » và biến đổi « vô cùng nhỏ » : cho E, tập hợp các điểm trên một mặt phẳng được quy chiếu bằng một điểm gốc O ; và cho G, nhóm các phép quay chung quanh O theo nghĩa quen thuộc ; E có thêm một cấu trúc là « Mêtric euclid », cấu trúc này cho phép đo khoảng cách giữa hai điểm ; hiển nhiên, bởi vì G thao tác trên E và bảo tồn mêtric đó, G là một nhóm đối xứng đối với E theo nghĩa nói trên, mà ký hiệu là SO(2,R) (hai kích thước thực) hoặc U(1,C) (một kích thước phức). Về thí dụ cho những bất biến, ta hãy xem một vòng tròn và một hình vuông, cả hai đều lấy tâm điểm là O. Mỗi phép quay bằng bất cứ trị số góc nào, dù nhỏ đến đâu (người ta gọi như thế là vô cùng nhỏ) đều bảo tồn hình dạng chung của vòng tròn ; về thực chất, tập hợp những phép quay đó chính là bản thân nhóm G. Trong khi đó, chỉ có những phép quay với một góc bằng 90 độ hay bằng một bội số của nó mới bảo tồn hình dạng chung của hình vuông ; những phép quay rời rạc đó hợp thành một nhóm con của G có 4 phần tử. Trong tinh thần chương trình Erlangen, một sinh viên của Hilbert và Klein, Emmy Noether (mà tên tuổi sẽ được gắn liền chủ yếu với những công trình quan trọng về đại số giao hoán của bà) đã chứng minh được vào năm 1903 một định lý về những bất biến vi phân trong phép tính biến phân, mà hiện nay được coi như « một trong những định lý toán học đã chứng tỏ là quan trọng nhất trong việc định hướng phát triển cho vật lý học từ xưa tới nay » (Leon Lederman, giải Nobel 1988), bởi vì nó thiết lập một quan hệ chặt chẽ, trong sự vận động của một hệ thống, giữa tính bảo tồn (của một đại lượng vật lý) và tính bất biến trong đối xứng (của một tính chất vật lý) : « Với bất cứ một biến đổi vô cùng nhỏ nào mà tích phân của tác dụng được giữ nguyên, đều có một đại lượng vật lý tương ứng được bảo tồn ». Nghịch đảo lôgic của định lý Noether đưa đến một ý tưởng khai phá cực kỳ quan trọng : nếu một đại lượng vật lý được bảo tồn, thì những quy luật (mà ta phải khám phá) điều khiển hoạt động của nó phải bất biến đối với một sự biến đổi nào đó có tính đối xứng liên tục ; nếu người ta nắm bắt được một đối xứng như thế, hay hơn nữa, được cả một nhóm đối xứng, thì khi đó người ta loại bỏ được rất nhiều mảng cấu trúc toán học không có khả năng, mà còn có thể tìm cách xác định những liên hệ tiềm ẩn giữa các quy luật điều khiển những đại lượng vật lý có liên quan đến nhóm đối xứng đó. Đó là, nói một cách sơ sài, phương pháp tiến hành trong các lý thuyết trường chuẩn. Hermann Weyl (1885-1955) Đã đến lúc chúng ta cần định nghĩa thế nào là một đối xứng chuẩn định xứ (vi), một khái niệm được đưa ra (nhưng với cái tên không đẹp cho lắm) bởi nhà toán học Đức Hermann Weyl, năm 1918. Tuy rằng ông được biết đến chủ yếu vì những công trình quan trọng về lý thuyết các nhóm biến đổi liên tục có tên « các nhóm Lie », Weyl cũng để tâm đến vật lý lý thuyết và cộng tác với Einstein. Ý tưởng khởi đầu của Weyl như sau : các quy luật bảo toàn phải được liên kết, không phải với một nhóm đối xứng duy nhất cho tổng thể, mà với một trường các nhóm định xứ, mỗi nhóm tác động trên một điểm của không thời gian, và là một phiên bản của một nhóm gọi là nhóm đối xứng chuẩn. Để nói rõ hơn một chút, ta hãy xem hàm số sóng |ψ⟩=|ψ(r,t)⟩, trong đó r là vectơ định vị không gian và t là thời gian. Hàm Schrödinger xác định biến thiên của |ψ⟩ rõ ràng là bất biến trong một chuyển pha tổng quát, có nghĩa trong biến đổi do phép nhân |ψ⟩ với một số phức có môđun bằng 1 (mà pha của nó là « toạ độ góc » theo ngôn ngữ toán), độc lập với vectơ bốn chiều (r,t) : đó là một bất biến của đối xứng chuẩn tổng quát với nhóm U(1). Nhưng nếu sự chuyển pha phụ thuộc vào (r,t), như trong mọi trường theo đúng nghĩa, hàm Schrödinger không còn bất biến nữa. Nếu chúng ta cá biệt hoá |ψ⟩ khi coi hàm sóng Maxwell cổ điển, thì bất biến của đối xứng chuẩn có định xứ với nhóm U(1), xác định theo Weyl, được suy ra bằng cách làm xuất hiện một tương tác giữa những trường lực kết nối với thế-vectơ và với điện thế. Tình huống này được giữ nguyên khi chuyển qua khung cảnh QFT, bằng cách thay những thế cổ điển bằng các trường Photon và Điện tử. Các bosons hiện ra trong một tương tác như vậy – ở đây là photon – được gọi là các bosons chuẩn. Ước vọng của Weyl thời ấy là thống nhất điện động học và thuyết tương đối rộng, bằng cách gán cho bản thân không gian một bất biến chuẩn. Ý tưởng ấy không thực hiện được với trường hấp dẫn, nhưng chính nó đã đứng đằng sau những lý thuyết trường chuẩn liên tiếp thành công trong việc soi sáng các tương tác mạnh và yếu, ngay cả đằng sau việc thống nhất tương tác điện từ với tương tác yếu. Công cuộc tổng hợp này đã hình thành « mô hình chuẩn » vĩ đại, thống nhất được tất cả các tương tác cơ bản, ngoại trừ trường hấp dẫn (thuộc phạm vi của thuyết tương đối tổng quát). Các lý thuyết trường chuẩn Dưới đây chúng tôi dùng một bảng để tóm tắt các lý thuyết trường chuẩn khác nhau cuối cùng đã hợp thành mô hình chuẩn, cùng với các nhóm đối xứng chuẩn liên kết với từng lý thuyết. Một sự kiện đáng để ý, các lý thuyết này không tiến triển một cách riêng lẻ, mà có liên lạc chặt chẽ với nhau, sử dụng kết quả của nhau, quá trình này cần đến nhiều năm cố gắng kiên trì cho từng lý thuyết trên những con đường đôi khi song hành, đôi khi đan chéo (xem ). Chúng đã mang đến cả một mùa gặt hái giải Nobel, nhưng quan trọng nhất là chúng còn minh chứng, hơn bao giờ hết, câu nói của Newton : « Nếu tôi đã có thể nhìn xa như thế, chính là vì tôi đứng trên vai những người khổng lồ đã đi trước ».
Điện động học lượng tử QED Nhóm U(1) Lực điện từ Thuyết thống nhất điện yếu SU(2)xU(1) Lực điện từ và lực yếu Sắc động lực học lượng tử QCD SU(3) Lực mạnh Mô hình chuẩn SU(3)xSU(2)xU(1) Thống nhất ba lực Ta còn cần thêm một số giải thích tối thiểu. Trước hết về các nhóm : mọi số hạng đều là số phức, người ta ngầm hiểu về ký hiệu C đã nói đến từ trước ; khi đó U(n) chỉ định nhóm các toán tử (được gọi là đơn nguyên) có đặc tính bảo tồn cấu trúc của một không gian Hilbert có chiều kích hữu hạn bằng n, và SU(n) là nhóm con gồm những toán tử đơn nguyên có định thức bằng một. Ngay cả một người bình thường cũng biết đến U(1), đó là nhóm các pha, tức các góc được định nghĩa trong vòng 360 độ, thêm hay bới 2π vẫn thế (hay gọi là modulo 2π theo ngôn ngữ toán). Trong tất cả các U(n), chỉ có U(1) là nhóm giao hoán (còn gọi là nhóm abel).
Sau nữa, về các tương tác : Chúng ta đã thấy rằng U(1) hiện ra như một nhóm đối xứng chuẩn tự nhiên của điện động học cổ điển. Vậy còn phải chuyển sang đối tượng tương ứng với điện động học lượng tử QED (để ý là QED cũng hay được dùng trong toán học để viết tắt thành ngữ la-tinh quod erat demonstrandum, đó là điều phải chứng minh, dân khoa học thường ham thích kiểu chơi chữ này), nhưng việc lượng tử hoá trường điện từ thời ấy đã gặp phải những khó khăn không khắc phục được, ngay cả với Einstein, ông đã chịu thua qua câu pha trò : « Hình như Thượng Đế có một ngón nghề » (1910). Ngón nghề, chính là làm sao mở rộng việc áp dụng cho các trường lượng tử khái niệm tích phân tác dụng – nói kiểu giáo khoa, đó là tích phân của hàm Lagrange trên không gian cấu hình – để có thể áp dụng một nguyên lý tác dụng tối thiểu, như trong cơ học phân tích và quang học ba động. Điều này đã được Feynman viết trong một bài báo năm 1948, trong đó ông đưa ra khái niệm tích phân lộ trình (đừng nhầm với tích phân đường cong trong cơ học cổ điển) :
Ông từ bỏ việc tính toán xác suất cho hiện tượng một vi hạt xuất hiện ở một điểm nào đó trong không thời gian, mà sử dụng xác suất để nó đi theo một quỹ đạo (một « lộ trình », hay một « vũ trụ tuyến ») nằm trong một vùng nào đó của không thời gian ; cùng lúc đó giả định rằng phần của mỗi lộ trình có thể có bằng hàm số mũ của i lần tác dụng cổ điển (theo định nghĩa đó là một con số « thuần pha »), sau đó ông chứng minh là tổng của các xác suất của tất cả các lộ trình đi từ quá khứ đến điểm (r,t) chính là hàm số sóng |ψ(r,t)⟩ thoả mãn phương trình Schrödinger ([CTS], tr.187).
Phải nói ngay rằng cái « ngón nghề » của Feynman, mặc dù nó quá đẹp nên không thể không đúng, cũng không tự nhiên được bảo đảm bằng toán học :
trong tích phân lộ trình của Feynman, biến số của tích phân không còn nằm trong không gian bình thường của lý thuyết tích phân, mà nằm trong một không gian các hàm, không cùng độ đo, từ đó xuất hiện vấn đề « phân kỳ », tức là tích phân có thể trở thành vô tận ! Để tiếp cận vấn đề, trên thực tế người ta dùng một « phép khai triển nhiễu loạn », tức là một phép khai triển thành chuỗi, dựa trên các luỹ thừa của hằng số ghép đôi giữa các trường tương tác với nhau, mà các hệ số chỉ liên quan đến các tích phân theo nghĩa thông thường. Các biểu đồ của Feynman cung cấp nhiều cách thức để tính toán những hệ số đó, nhưng trong một số trường hợp, khi mà biểu đồ có « vòng khép », tích phân lộ trình thực sự là phân kỳ.
Cách cứu chữa chủ yếu là dùng một phương thức rất chuyên môn có tên tái chuẩn hoá (Feynman, Schwinger, Tomonoga, giải Nobel 1965), mà ở đây không cần đi vào chi tiết, ngoài nhận xét là tình hình không phải lúc nào cũng khả quan : cần thiết phải xem xét từng trường hợp một, với mỗi lý thuyết trường chuẩn phải chứng minh là nó có thể được tái chuẩn hoá. Cho đến năm 1972, ‘t Hooft và Veltman (giải Nobel 1999) chứng minh được là tất cả những lý thuyết trường chuẩn kiểu Yang-Mills với « phá vỡ đối xứng » (xem phía dưới) đều có thể được tái chuẩn hoá.
Sự thành công của QED, một lý thuyểt đã có thể tiên đoán các kết quả thí nghiệm với độ chính xác kinh hoàng (về « hệ số Lander » của điện tử, độ chính xác đạt được là tương đương với bề ngang một sợi tóc chia cho khoảng cách từ Los Angeles tới NewYork !), chỉ có thể kích thích các nhà nghiên cứu đi tìm những lý thuyết trường chuẩn tương tự, nhưng không abel (có nghĩa được kết hợp với các nhóm đối xứng chuẩn không giao hoán).
Thuyết của Yang và Mills, thiết lập vào khoảng đầu những năm 1950 để giải thích tương tác mạnh, thực ra có thể được áp dụng cho tất cả các nhóm Lie compac nửa-đơn-giản, chính vì thế người ta hay dùng số nhiều khi nói về nó. Ở điểm khởi đầu, Heisenberg đã phát biểu giả thuyết là proton và nơtron kết hợp với nhau trong lõi nguyên tử bằng cách trao đổi một điện tử, và đưa ra khái niệm isospin (tương tự như spin, nhưng chi là tương tự thôi) để phân biệt hai trạng thái của vi hạt nơtron/proton. Yang và Mills nhận dạng isospin như một đối xứng chuẩn có định xứ, theo kiểu đối xứng U(1) trong QED, nhưng, vì ở đây có hai vi hạt làm đối tượng, cần phải mở rộng nhóm đối xứng chuẩn. Khi đã chọn SU(2), hậu quả là họ phải đưa vào một trường mới, đặt tên là B, kèm theo ba vi hạt chuẩn, đặt tên là B+ (cho tương tác proton-nơtron), B- (cho tương tác ngược lại) và B° ( cho tương tác nơtron-nơtron). Đọc đến đây bạn đọc chắc đã nhận ra vai trò của hai toán tử sinh/diệt. Nhưng, mô hình này không thành công, một mặt vì nó không tái chuẩn hoá được, mặt khác vì số hạng zêrô của khai triển nhiễu loạn chỉ ra là khối lượng của những vi hạt trung gian có trị bằng không, do đó tầm ảnh hưởng của tương tác là vô tận (xem chương 5, đoạn về khối lượng của meson), mâu thuẫn toàn bộ với tương tác mạnh (2).
Nhưng hướng nghiên cứu của Yang và Mills vẫn có giá trị, với điều kiện là phải thay đổi nhóm đối xứng chuẩn. Bài toán sẽ được thuyết sắc động học lượng tử, QCD, giải quyết ; QCD do Gross, Politzer và Wilczek (giải Nobel 2004) đề xuất, đó là một lý thuyết trường chuẩn SU(3) : tương tác mạnh là do sự trao đổi sắc giữa các quarks, thông qua vi hạt gluons.
Để tránh lại phải nghe lời tán thán « quái quái đản đản ! », chúng tôi vội vàng xin thưa là các hạt quarks – tên do Gell-Mann (giải Nobel 1969) sáng chế, và đó là trò chơi chữ rút ra từ truyện «Finnegan’s Wake» của J. Joyce – là các thành phần cơ bản nhất của những hadrons ; các gluons là những vi hạt của trường chuẩn SU(3), các bosons không khối lượng, có tám (= kích thước của nhóm Lie SU(3)) ; Ba sắc (xanh, đỏ, xanh lá cây) là những số lượng tử (xem chương 5), tổ hợp thành sắc tích, được gọi như thế do tương tự với điện tích của thuyết điện-yếu ; các hạt « mang sắc tích » tương tác với nhau bằng cách trao đổi sắc, sắc tích trắng, tổ hợp của ba sắc kia, là cái duy nhất trung lập ; vấn đề tầm tương tác liên quan đến khối lượng zêrô bị loại bỏ bởi bản chất đặc biệt của lực hút giữa các sắc, nó tăng theo khoảng cách, và giam chặt quarks bên trong các hadrons. Loạt bài này có ý định tập trung trên boson BEH, vì thế chúng tôi không quyến luyến với tương tác mạnh nữa mà xin chuyển sang nói về tương tác yếu.
Vào khoảng cuối những năm 1950, sự tương tự (chỉ tương tự thôi) giữa giả thuyết của Heisenberg và phản ứng phân rã bêta (xem đoạn đầu chương 5) đã khiến Schwinger (giải Nobel 1965 cùng với Feynman và Tomonoga, xem bên trên) và sinh viên tên Glashow của ông, độc lập với Yang và Mills, đưa vào ba vi hạt, ba bosons của isospin yếu W+, W- và Z° (theo thuật ngữ hiện nay) để giải thích tương tác yếu. Sự hiện diện của điện tích gợi ra ý tưởng là trước hết cần thiết phải xây dựng một lý thuyết hợp nhất được lực tương tác yếu và lực điện từ, điều mà ngày nay được gọi là lý thuyết điện yếu. Glashow chọn lựa nhóm đối xứng chuẩn SU(2)xU(1), nhưng rồi gặp phải cùng một chướng ngại như Yang và Mills, đó là mô hình này không tái chuẩn hoá được, với những vi hạt trung gian có khối lượng bằng không. Làm thế nào đem lại cho các vi hạt này một khối lượng ? Giải pháp sẽ đến là phải sử dụng khái niệm phá vỡ đối xứng tự phát của Nambu (giải Nobel 2008) và Goldstone, bổ sung bằng cơ chế BEHGHK mà chúng ta sẽ nói đến sau. Áp dụng vào lý thuyết đối xứng chuẩn SU(2)xU(1) của Glashow, cơ chế này cho phép Abdus Salam và Steven Weinberg, độc lập với nhau, cùng hoàn thành năm 1967 lý thuyết thống nhất điện yếu cho các leptons : « phóng chiếu » xuống nhóm U(1), lý thuyết này tìm lại được QED, sự phá vỡ đối xứng cho phép gán khối lượng cho các bosons W+, W- et Z° (vào khoảng 85 lần khối lượng proton cho W, 96 lần cho Z), và thêm nữa, nó còn tiên đoán một vi hạt vật chất thứ tư, boson BEH. Bộ ba Glashow-Salam-Weinberg được giải thưởng Nobel năm 1979, khá lâu trước khi ba bosons nói trên được làm hiện rõ trong máy gia tốc LEP của CERN năm 1983. Còn hạt cuối cùng kia ? chính sự phát hiện ra nó trong LHC đang là vấn đề thời sự.
Khi boson xuất hiện…
Sự phá vỡ đối xứng tự phát của một hệ thống là hiện tượng thường xẩy ra trong cơ học thống kê, được kích hoạt khi có đối nghịch giữa tính ổn định của một trạng thái cơ bản (trạng thái năng lượng cực tiểu) với tính đối xứng trong vận động của hệ thống, dưới ảnh hưởng của các dao động thăng giáng không chế ngự được (nhiệt, lượng tử) và không mang tính đối xứng nói trên. Để thí dụ ta hãy tưởng tượng một hòn bi đặt cân bằng trên chỏm một cái mũ Mễ Tây Cơ (hình 6.1), mà dạng đối xứng tổng quát là hình tròn : đỉnh mũ ở trạng thái năng lượng cực trị, nhưng không ổn định ; cái rãnh theo vành mũ cũng ở trạng thái năng lượng cực trị, nhưng ổn định ; một dao động thăng giáng (mặt trời, gió, rung động) có thể làm phá vỡ sự thăng bằng và làm cho hòn bi rơi xuống rãnh mà không tốn năng lượng : đó là sự phá vỡ đối xứng tự phát.
Trong các lý thuyết lượng tử, chân không là một trạng thái cơ bản, trạng thái năng lượng cực tiểu. Khi có thể có nhiều trạng thái chân không, một số thì ổn định nhưng không đối xứng định xứ, một số khác thì không ổn định nhưng lại có đối xứng tổng quát, người ta có thể « đổi trạng thái chân không » mà không tốn năng lượng ; nhưng nguyên lý Nambu-Goldstone (1956) đã xác định là một thay đổi như thế phải làm xuất hiện một lượng tử của một trường vật chất, cũng là một vi hạt có cùng số lượng tử với chân không, trung hoà, có spin bằng không, không khối lượng, boson của Nambu-Goldstone. Khi đối xứng phá vỡ tự phát là một đối xứng chuẩn định xứ abel (thành phần U(1) của nhóm chuẩn SU(2)xU(1)), việc chuyển từ một chân không đối xứng sang một chân không bất đối xứng phải tương ứng với một thay đổi chuẩn. Khi đó boson của Nambu-Godstone sẽ ra sao ? Để cho đối xứng chuẩn U(1) của QED được bảo tồn, thì bất biến của chuẩn định xứ (xem đoạn đầu chương này) cần tương tác với một trường khác, trường BEH. Đó là sự kích hoạt cơ chế BEH, các lượng tử của trường BEH tổ hợp với các bosons không khối lượng của Nambu-Godstone để phát sinh một photon và bốn bosons có khối lượng, W+, W- et Z° và BEH.
Bản tổng kết, dù sao cũng khá phức tạp, được vẽ thành biểu đồ trong hình 6.2. Lưu ý là, trong nghiên cứu của mình về sự phá vỡ đối xứng, Nambu cũng đã có trực giác về một trường thuộc loại « phép mầu được dàn cảnh ». « Chuyện gì sẽ xẩy ra nếu một loại vật liệu siêu dẫn nào đó tràn ngập vũ trụ trong đó chúng ta sống ? Bởi vì chúng ta không thể quan sát cái thực sự là chân không, trạng thái cơ bản của môi trường nói trên sẽ trở thành, trên thực tế, chân không. Nhưng như thế thì, ngay cả những vi hạt giả thử là không có khối lượng […] trong chân không thực sự, sẽ có được khối lượng trong thế giới hiện thực ». Điều ấy chỉ là tư biện (3), nhưng dù sao thì, các bài báo đầu tiên của Brout-Englert và của Higgs (1964) mỗi bài chỉ dài... có một trang rưỡi thôi !
Hình 6.1 Thế tương tác tự phát của trường BEH dưới dạng mũ Mễ Tây Cơ
Hình 6.2 Biểu đồ tổng kết cơ chế BEH
Để mời bạn đọc món tráng miệng cho đầy đủ, chúng ta có thể mô tả cơ chế BEH theo kiểu ví von, giống như nhà vật lý David Miller đã làm năm 1990 (dẫn trong ) để kiếm sự ủng hộ dự án LHC của CERN từ các nhà chính trị Anh quốc thời ấy. Miller thì đưa bà Thatcher lên sân khấu, nhưng thay vì thế chúng ta có thể tưởng tượng bữa tiệc tiếp tân nhân dịp trao các giải Nobel, với việc các khách mời chiếm chỗ một cách đồng đều trong phòng tiệc. Bây giờ là lúc các « giải nguyên » tiến vào, đi đầu là Higgs ; ông tìm cách mở ra một con đường để tiến tới trong cái « trường » đó, các khách mời thì lại tụ tập chung quanh họ, càng làm cho bước đi của đoàn chậm lại : tương tự như việc một boson không khối lượng trở thành có khối lượng. Cùng lúc ấy, tin đồn các giải nguyên đã đến được truyền đi trong phòng, làm cho các khách mời tụ lại với nhau bàn tán : đó là boson BEH được sinh ra trong « trường ».
Như vậy là chúng ta đã đến giai đoạn cuối của cuộc xây dựng lý thuyết điện yếu, trong đó boson BEH chiếm vị trí của khối đá chốt vòm. Người ta thấy trong biểu đồ tương tác của hình 6.3 là boson BEH cũng đem lại khối lượng cho quarks, và do đó uỷ ban Nobel đã có lý khi bình luận rằng « nếu không [có boson đó] đã không có chúng ta ».
Hình 6.3 các tương tác trong mô hình chuẩn điện yếu. Các vi hạt trực tiếp tương tác với boson BEH trở nên có khối lượng. Nhưng các neutrino cũng có khối lượng.
Nhưng phải chăng đó đã là chìa khoá cuối cùng, « vi hạt của thượng đế » ? Không hẳn thế, mô hình chuẩn, tức lý thuyết chuẩn U(1)xSU(2)xSU(3) bao trùm tất cả các lý thuyết chuẩn khác, còn chưa đạt đến độ chín muồi trọn vẹn : nó còn chứa quá nhiều độ tự do (19), ngược lại với nguyên lý tiết kiệm (hay « dao cạo của Occam ») ; những hiện tượng như là khối lượng của neutrino còn chưa được giải thích : Sự « cầm giữ » các quarks còn đợi một mô hình toán học (và đó cũng là một trong 7 bài toán của thiên niên kỷ với giải thưởng 1 triệu đôla của viện Clay cho mỗi bài) ; và nhất là, tương tác hấp dẫn (thuyết tương đối tổng quát) còn nằm ngoài mô hình chuẩn. Chưa nói đến những vấn đề của vũ trụ học, người ta đang chờ đợi một cuộc tổng hợp cuối cùng, một « lý thuyết cho mọi thứ » (GUT, grand unified theory) sẽ giải thích được... mọi thứ. Trong khi chờ đợi, và ở thời buổi mà chủ nghĩa thương mại hoá tự cho mình là chân trời không thể vượt qua của xã hội loài người, thực ấm lòng khi thấy biết bao nhiêu tài năng, có khi là thiên tài, vẫn tiến bước, đơn lẻ hay tập thể, trên con đường gian nan của hiểu biết.
Nguyễn Quang Bản dịch: Hàn Thuỷ
Nguồn hình ảnh : Tất cả các hình ảnh minh hoạ đều chép từ bách khoa toàn thư mở Wikipedia, trừ những hình 6.1, 6.2 và 6.3 chụp lại (và dịch sang việt ngữ) từ chương 7 của [CTS].
(1) Einstein đã chào đón Emmy Noether như là « thiên tài sáng tạo toán học lớn nhất mà giáo dục đại học phụ nữ đã đào tạo ra ». Nhưng, mặc dù danh tiếng như thế, bà không bao giờ được bổ nhiệm một chức vụ đại học nào cao hơn là Privatdozen (trợ giáo). Trách nhiệm của sai lầm này dĩ nhiên thuộc về sự kỳ thị giới tính đương thời. Năm 1900, Emmy Noether là một trong hai nữ sinh viên duy nhất được nhận vào đại học Erlangen. Năm 1915, khi Hilbert tìm cách bổ nhiệm bà vào đại học Göttingen, ông đụng phải những đối kháng kiểu như : « Quân sĩ của chúng ta sẽ nói gì khi mà trở lại đại học, họ sẽ phải chịu cái ách của một người đàn bà ? » Phản pháo của Hilbert : « Đây là đại học, không phải nhà tắm công cộng ! »
(2) Nghe đồn rằng khi Yang trình bày thuyết của mình năm 1954 trong một xêmina « súng săn » ở Princeton, có tên này vì các thuyết trình viên ở đó bị « tàn sát » nhiều hơn thường lệ. Điều không tránh khỏi, vì Pauli đã truy vấn Yang tới cùng về khối lượng của trường B lẫy lừng này. Đến nỗi mà Oppenheimer phải can thiệp để Yang khốn khổ có thể tiếp tục thuyết trình.
(3) Có vẻ như ête lại xuất hiện, nhưng đây chỉ là một sự tương tự.
(i) RQM = Relativistic quantum mechanics = Cơ học lượng tử tương đối tính ; QFT = Quantum field theory = lý thuyết trường lượng tử. Người dịch (n.d.) đề nghị giữ nguyên cách viết tắt đã phổ biến trên thế giới.
(ii) n.d. : những thuật ngữ này hoàn toàn không liên hệ với ý nghĩa bình thường của chúng, chúng chỉ được đặt ra cho dễ nhớ, thực ra dịch hay không dịch cũng vậy.
(iii) dịch chữ superposition trong trường hợp « chập trùng » của nhiều hơn hai trường, nếu hàm ý hai, trong chương 4 đã dịch là « song trùng »
(iv) trong bài này thuật ngữ « action » được dịch tuỳ văn cảnh là « tác động » theo thuật ngữ toán học (biểu thị một « hành động » gần với nghĩa trực giác thông thường, ở đây là một phép biến đổi từ đầu vào sang đầu ra), và « tác dụng » theo thuật ngữ vật lý (biểu thị kết quả của một tiến trình, điều có thể đo lường được, và cũng là theo định nghĩa chung của vật lý học).
(v) thuật ngữ « moment cinétique » có những cách dịch sau đây : xung lượng góc, động lượng góc, xung lượng quay, động lượng quay, mômen xung lượng, mômen động lượng... cũng tương tự « impulsion » ngày trước đã được dịch là xung lượng, ngày nay, với phần lớn các quy chiếu trên mạng, đó là động lượng. Trong phần trước của bài chúng tôi đã xử dụng thuật ngữ phần nào đã cũ trong « Từ điển vật lý Anh Việt » (nxb Khoa Học và Kỹ thuật, HàNội, 1976) là mômen xung lượng, xin tạm giữ nguyên trong khi chờ đợi một từ điển thuật ngữ vật lý có hệ thống, thống nhất và đầy đủ.
(vi) dịch theo Gs Phạm Xuân Yêm, Mô hình Chuẩn của Vật lý Hạt cơ bản, Tia sáng 10/10/2013
|
|