Trở
lại Trang Nh�:GIẢI NOBEL VẬT L� 2003
Nguyễn Tiến �ch
Th�ng 10 năm 2003 vừa qua, h�n l�m viện khoa học ho�ng gia Thụy Điển đ� tuy�n bố
tặng giải Nobel vật l� năm 2003 cho 2 người Nga, Vitaly Ginzburg v� Alexei
Abrikosov v� 1 người Mỹ gốc Anh, Anthony Legget v� những c�ng tr�nh khảo cứu của
họ trong hai l�nh vực của cơ học lượng tử l� si�u dẫn (superconductivity) v�
si�u lỏng (superfluidity) .
Ginzburg năm nay 87 tuổi, trước đ�y l� chủ nhiệm nh�m vật l� l� thuyết của viện
vật l� P. N. Lebedev tại Moscow. Abrikosov, 75 tuổi, hiện nay mang quốc tịch
Mỹ, v� đang c�ng t�c tại ph�ng th� nghiệm quốc gia Argonne (Argonne National
Laboratory) trong tiểu bang Ilinois, Hoa Kỳ. Leggett, 65 tuổi, hiện mang quốc
tịch Mỹ, đang c�ng t�c tại đại học Illinois tại Urbana-Champaign, Hoa Kỳ.
Một
điều cả ba người đều giống nhau l� họ được trao giải thưởng cho những c�ng tr�nh
họ đ� thực hiện từ l�u rồi, trước khi c� m�y t�nh điện tử. Abrikosov n�i với
h�ng th�ng tấn Reuters rằng �ng bắt đầu c�ng t�c trong l�nh vực n�y từ nửa thế
kỷ nay, tức l� v�o khoảng thập ni�n 50 của thế kỷ 20, c�n Leggett th� khởi đầu
nghi�n cứu trong l�nh vực n�y b�n Anh v�o những năm 1970.
Theo c�c nh� khoa học th� đặc biệt những c�ng tr�nh về si�u dẫn của hai nh� khoa học gốc Nga c� những tiềm năng ứng dụng c� t�nh c�ch mạng v�o l�nh vực điện tử với những bộ phận ti�u thụ năng lượng rất �t, l�nh vực ph�n phối điện năng với những sợi d�y điện kh�ng c� điện trở, l�nh vực giao th�ng với những đo�n xe lửa bay l� l� b�n tr�n đường sắt, l�nh vực y học với những dụng cụ tạo h�nh bằng cộng hưởng từ (Magnetic Resonance Imaging, viết tắt l� MRI)...
C�ng tr�nh của nh� khoa học gốc Anh Legget l� trong l�nh vực si�u lỏng. Legget đ� dựng n�n một l� thuyết c� t�nh c�ch quyết định về hiện tượng n�y bằng c�ch giải th�ch c�c nguy�n tử đ� t�c dụng với nhau v� sắp xếp một c�ch thứ tự ra sao trong trạng th�i si�u lỏng.
V�o năm 1911, Heike Kamerlingh-Onnes, một nh� khoa học người H�a Lan, sau khi đ� th�nh c�ng trong việc h�a lỏng kh� Helium v� đạt đến nhiệt độ thấp kỷ lục thời đ� l� �268.9o C (1) (4.2o K (2) ) th� đ� kh�m ph� ra rằng điện trở suất (resistivity) của thủy ng�n đột nhi�n trở th�nh kh�ng (zero) ở nhiệt độ 4.2o K. Đ� l� hiện tượng si�u dẫn v� hiện tượng n�y kh�ng chỉ giới hạn ở thủy ng�n. Nhiệt độ ở đ� một chất trở th�nh si�u dẫn l� nhiệt độ chuyển tiếp (transition temperature, viết tắt l� Tc). C� đến ph�n nửa nguy�n tố (element) kim loại c� t�nh si�u dẫn, cũng như nhiều hợp kim kh�c v� Tc thay đổi t�y theo từng chất, chẳng hạn Tc của niobium (Nb, đứng số 41 tr�n bảng tuần ho�n) l� 9.5 o K, của ch� l� 7.5o K. Những đo đạt mới nhất cho thấy rằng điện trở suất thực sự l� kh�ng (zero), nghĩa l� ho�n to�n kh�ng c� một t� điện trở n�o r�o trọi.
M�i đến năm 1957, ba nh� khoa học Hoa kỳ l� John Bardeen, Leon Cooper v� John Schrieffer mới tạo dựng được một thuyết gọi l� thuyết BCS (d�ng chữ c�i đầu trong t�n của mỗi người) để giải th�ch được hiện tượng si�u dẫn.
Ở thể rắn, hạt nh�n của những nguy�n tử hay ph�n tử xếp th�nh một mạng lưới (lattice) với c�c hạt electron ngoại vi(3) xen kẽ chung quanh. Một vật dẫn điện c� những hạt electron ngoại vi c� thể di chuyển lang bang dễ d�ng nhưng lộn xộn. Khi c� một điện thế t�c dụng th� những hạt electron sẽ di chuyển theo một hướng chung, từ chỗ điện thế cao xuống chỗ c� điện thế thấp, tương tự như nước chảy từ chỗ cao xuống chỗ thấp, tuy l� vẫn lộn xộn, như một d�ng người v� trật tự, d� c� c�ng đi theo một hướng chung nhưng vẫn chen lấn nhau tạo n�n va chạm. Ch�nh sự va chạm n�y giữa c�c hạt electron đ� tạo n�n c�i m� ta vẫn gọi l� điện trở v� được thể hiện qua h�nh thức nhiệt: va chạm, cọ s�t l� mất năng lượng v� số năng lượng mất đi v� va chạm đ� được biến th�nh nhiệt lượng, một dạng phế thải v� k�m chất lượng nhất của năng lượng v� bất cứ năng lượng n�o biến h�a đi m�t c�ch v� dụng th� đều th�nh ra nhiệt lượng cả. Nếu ta sờ tay v�o vỏ ngo�i của một sợi gi�y dẫn diện th� ta c� thể c� cảm gi�c n�ng. Đ� l� sự thể hiện của điện trở.
Theo thuyết BCS th� ở nhiệt độ thấp, hạt electron mang điện �m x�ch lại gần nh�n mang điện dương. Khoảng c�ch giảm xuống l�m cho hấp lực giữa những điện lượng kh�c dấu tăng. Mạng lưới do đ� bị biến dạng một ch�t l�m cho những hạt nh�n gần đ� cũng x�m lại �bao v�y� hạt electron v�o giữa. Một hạt electron gần đ� thấy một nh�m điện dương �nh�n� đ� như l� một cụm mang điện dương v� liền x�p lại tạo ra với hạt electron kia th�nh một cặp l� cặp Cooper (Cooper pair)., tuy l� c�ng mang điện �m nhưng vẫn khắng kh�t với nhau nhờ sự trung gian của mấy hạt nh�n mang điện dương. Ngo�i điện t�ch �m, th� những số lượng tử kh�c như spin, m�-men động lượng�.. của cặp Cooper lại ngược dấu l�m cho thế năng của cặp Cooper giảm xuống ở trị số 0 (4) (ground state). Hơn thế nữa, sự cặp đ�i n�y đ� l�m biến đổi bản chất của electron, từ một fermion th�nh một boson. Theo nguy�n l� bất tương dung của Pauli (Pauli exclusion principle) th� hai fermion kh�ng thể c�ng ở trạng th�i ground state được. Nhưng hai hạt electron của cặp Cooper đ� trở th�nh hai hạt boson (v� tổng số số spin của cặp b�y giờ l� 0) nhờ đ� m� c� thể c�ng nhau chia sẻ chung một trạng th�i ground state một c�ch vui vẻ (nguy�n l� Pauli kh�ng �p dụng cho hạt boson). Những cặp Cooper kh�c cũng k�o nhau v�o trạng th�i ground state v� bản t�nh lười l� chung cho sự vật, nếu c� trạng th�i ground state mở rộng cho mọi cặp Cooper th� tội g� leo l�n những trạng th�i kh�c, thế năng cao hơn. Do đ� tất cả những cặp Cooper đều được m� tả đơn thuần bằng một h�m s�ng (wave function), nghỉa l� h�m s�ng đ� kh�ng chỉ giới hạn ở một số cặp Cooper m� th�i, m� l� tất cả c�c cặp, tạo n�n một hiện tượng vĩ m� (macroscopic). Khi di chuyển th� cả đo�n c�ng di chuyển v� đi đều bước như một đo�n qu�n diễn h�nh, kh�ng lộn xộn va chạm v�o nhau, do đ� kh�ng cọ s�t, kh�ng mất năng lượng, nghĩa l� kh�ng c� điện trở. Muốn ph� vỡ c�i thế đồng bộ n�y th� năng lượng đ�i hỏi qu� lớn, v� tuy đối với từng cặp th� số năng lượng cần thiết chỉ v�o khoảng v�i phần mười ng�n (10-4) eV nhưng số cặp ở trạng th�i vĩ m� th� h�ng triệu triệu cặp(cỡ 1022), do đ� m� một khi d�ng điện đ� được tạo n�n th� n� cứ tồn tại ho�i ho�i. Muốn cắt d�ng điện n�y th� phải tăng nhiệt độ l�n tr�n nhiệt độ chuyển tiếp Tc hay đặt vật si�u dẫn v�o m�t từ trường lớn b�n tr�n một giới hạn Bc gọi l� từ trường chuyển tiếp để mang n� ra khỏi trạng th�i si�u dẫn.
(Xin xem tiếp trong Nguyệt San Diễn Đ�n Gi�o D�n số 27 th�ng 1&2/2004 trang 137)
