|
Post by vietnam on May 22, 2009 11:19:14 GMT -5
Cơ học lượng tử và vật liệu nano Vật liệu nano trở thành một sân chơi để cơ học lượng tử thao túng và khẳng định tiềm năng áp dụng của mình. Trương Văn Tân, PhD Nghiên cứu viên cao cấp Viện Khoa học và Kỹ thuật Quốc phòng (DSTO) Melbourne, Victoria,Australia If you think you understand quantum mechanics, then you don't understand quantum mechanics. Richard P. Feynman (Nobel Vật lý 1965) Nội dung: E = hν - Trước hai ngã đường: cơ học cổ điển và lượng tử - Ảnh hưởng của sự thu nhỏ - Dải năng lượng điện tử và sự phát quang - Chấm lượng tử và giếng lượng tử - Hạt nano bán dẫn: sự phát huỳnh quang - Hạt nano kim loại vàng: plasmon và sự phát huỳnh quang - Giếng lượng tử và tia hồng ngoại - Tiềm năng ứng dụng - Thượng đế đổ xí ngầu! 1. E = hν Vào những đêm đông không gì thú vị bằng ngồi bên cạnh cái lò sưởi nghe tiếng lửa reo tí tách, nhìn ngọn lửa lung linh cùng với vài người bạn nhấm nháp ly rượu vang đỏ Penfolds bàn về triết lý cuộc đời, nói chuyện thiên văn địa lý, đông tây kim cổ. Những đêm đông sẽ vô cùng lạnh lẽo và vô vị nếu không có cái lò sưởi với những thỏi than hồng thoang thoảng mùi khói của những khúc gỗ còn xanh, quyện theo luồng không khí được hâm nóng bằng những tia hồng ngoại. Đắm chìm trong một không gian ấm áp, ngà ngà men rượu, thỉnh thoảng ánh mắt của ta bị lôi cuốn vào những ngọn lửa đang hừng hực nhảy nhót, ở những khoảnh khắc ấy có khi nào ta nghĩ đến ý nghĩa.... vật lý của cái lò sưởi khiêm tốn? Có khi nào ta nghĩ rằng cái lò sưởi kia cũng có quan hệ "bà con xa" đến cái CD player đặt ở một góc phòng và đang phát ra những âm thanh tuyệt vời của dòng nhạc giao hưởng cổ điển Schubert, Mozart hay những bài tình ca Ngô Thụy Miên, Trịnh Công Sơn đau xót cho mối tình gầy mong manh hay tán tụng một tình yêu đang được lên ngôi?! Khi đặt ra những câu hỏi này người đời sẽ cho rằng ta đang bị "méo mó nghề nghiệp", thích nghĩ ngợi mông lung, nhưng thực sự nếu bảo cái lò sưởi là mở đầu và cái CD player là hệ quả của cơ học lượng tử, thiển nghĩ cũng không phải là quá lời. Xuất phát từ giả thuyết lượng tử của Planck, hơn một thế kỷ trôi qua thuyết lượng tử như một con sông đã vượt qua nhiều khúc quanh, ghềnh thác, tập hợp những phát hiện vĩ đại theo dòng chảy để ngày hôm nay trở thành một dòng sông to lớn đổ vào biển cả khoa học, duy trì sự phồn vinh và hạnh phúc của nhân loại. Vào năm 1900, qua sự quan sát về bức xạ sóng điện từ của vật đen (black body), Planck đưa ra định luật bức xạ diễn tả sự liên hệ giữa nhiệt độ và bước sóng của bức xạ. Nói một cách dễ hiểu, khi làm nóng một thanh sắt, sắt biến thành màu đỏ, nóng hơn thành màu vàng và nóng hơn nữa màu xanh trắng như ta thường thấy khi sắt ở thể lỏng. Càng nóng bước sóng của bức xạ càng ngắn (từ màu đỏ tiến đến màu xanh trong trường hợp thanh sắt). Dù không phải là vật đen lý tưởng theo đúng định nghĩa trong vật lý, vật đen trong thực tế có thể là điện trở của bóng đèn, thanh sắt, khúc gỗ trong lò sưởi, mặt trời, phong nền vũ trụ (cosmos background). Từ định luật bức xạ Planck, dựa theo quang phổ hay màu sắc phát quang ta có thể dự đoán nhiệt độ của bề mặt mặt trời trong khoảng 5.000 – 6.000 °C, than hồng trong lò sưởi trên dưới 1.000 °C, điện trở bóng đèn trên 1.000 °C. Vi ba (microwave) phát đi từ khoảng không gian vô tận cho ta biết nhiệt độ của vũ trụ là -270 °C. Ngược lại, từ nhiệt độ của một vật ta có thể biết bước sóng phát ra từ vật đó. Nhiệt độ con người ở 37 °C cho biết cơ thể ta phát tia hồng ngoại. Để chứng minh định luật bức xạ của mình, Planck đã táo bạo đưa ra “giả thuyết lượng tử” là năng lượng bức xạ của sóng điện từ được phát ra không liên tục theo từng "gói năng lượng" E = hν rời rạc, gọi là lượng tử, trong đó h là hằng số Planck, n là tần số của sóng điện từ. Nhưng Planck tin đó chỉ mới là “cái mẹo toán” để suy ra công thức phân bố năng lượng bức xạ của ông vừa tìm thấy sao cho hoàn toàn phù hợp với kết quả thí nghiệm. Vài năm sau (1905), dựa vào ý tưởng bức xạ nhiệt theo gói năng lượng của Planck, Einstein đi thêm một bước quan trọng khi đưa ra quan niệm rằng ánh sáng được cấu tạo bởi các hạt gọi là photon (hay quang tử, light quantum), mỗi hạt mang năng lượng E = hν, và tương tác với các điện tử của vật chất khi chạm vào. Bằng cách đó ông nhanh chóng hoàn toàn giải thích được hiệu ứng quang điện mà giới vật lý đương thời phải bó tay, và phát hiện này đã đem lại cho ông giải Nobel năm 1921. Tức là, trái với quan niệm sóng phổ biến lúc bấy giờ, Einstein cho rằng ánh sáng còn một sự tồn tại thứ hai, đó là hạt. Ánh sáng vừa là sóng vừa là hạt: khái niệm nhị nguyên sóng/hạt ra đời. Người Nhật Bản đã dùng tiếng Hán dịch thuật ngữ "quantum" là ryoshi, đọc ra âm Hán Việt là "lượng tử" (lượng: năng lượng, tử: con, phần nhỏ), biểu hiện đúng ý nghĩa của quantum. Công thức vĩ đại, E = hν, hàm chứa tính hạt của sóng, cũng là khởi điểm của bộ môn cơ học lượng tử. Trị số của h rất nhỏ (6,626 x 10-34 J.s) nhưng đằng sau các cột trụ quan trọng của cơ học lượng tử, hằng số Planck không bao giờ vắng bóng. Nó hiện hữu trong mọi công thức quan trọng liên quan đến cơ học lượng tử và chi phối việc "đi đứng" của các vật chất cực nhỏ của thế giới vi mô. Cho đến ngày hôm nay, cơ học lượng tử càng ngày càng phục vụ nhân loại một cách đắc lực từ chiếc radio, TV bình thường đến chiếc máy tính, CD player, iPod, điện thoại cầm tay và những thiết bị khoa học, y học, viễn thông, cải thiện đời sống và sức khỏe con người. 2. Trước hai ngã đường: cơ học cổ điển và lượng tử Khi gặp phải một vấn đề không rõ rệt, người Nam Bộ có một câu nói dí dỏm nhưng mộc mạc, chân thành: "coi dzậy mà hổng phải dzậy". Trong vật lý, nó diễn tả một cách bình dân những cơ bản của cơ học lượng tử như tính xác suất, tính bất định và bản chất nhị nguyên sóng/hạt của vật chất trong thế giới vi mô của phân tử, nguyên tử, điện tử và các hạt sơ cấp hạ nguyên tử (subatomic particle). Kể từ đầu thế kỷ 20, khi hằng số Planck xuất hiện trong định luật bức xạ và tiếp theo đó một loạt lý thuyết như hiệu ứng quang điện Einstein, phương trình sóng Schrödinger, định luật de Broglie, nguyên lý bất định Heisenberg, những điều hiểu biết dựa theo "thường thức" (common sense) của thế giới đời thường được lý giải qua cơ học cổ điển Newton hoàn toàn bị đảo lộn. Trước những phát hiện vĩ đại này, đã có một thời gian dài các nhà khoa học đã từng hoang mang, thậm chí chế diễu trước những khám phá mang tính triệt để và dứt khoát của một cuộc cách mạng khoa học. Trong thế giới bất định của cơ học lượng tử, để hiểu được sự hiện hữu, di động và tương tác của vật chất cực nhỏ ta cần đến một tư duy khác phá tan những xiềng xích trói buộc của cơ học cổ điển. Khi một chiếc xe hơi chạy với vận tốc 100 km/h, thì ta có thể tiên liệu rằng sau 1 tiếng đồng hồ chiếc xe xuất phát từ điểm A sẽ đến điểm B cách đó 100 km. Đây là kết quả tất định của chiếc xe. Nhưng trong thế giới của các hạt nhỏ, ta không thể xác định vị trí của hạt chính xác 100 %. Khác với chiếc xe hơi, vận tốc và vị trí của vi hạt không thể đo đạc một cách chính xác cùng một lúc vì sự nhoè lượng tử. Nguyên lý bất định Heisenberg đã định lượng hóa độ nhoè này bằng một công thức đơn giản chứa hằng số Planck. Cái mù mịt về vị trí hay tính chất phi định xứ (non-locality) của vi hạt là một đặc điểm khác của cơ học lượng tử. Ở cùng một thời điểm chúng như bóng ma có thể ở nhiều nơi khác nhau với những xác suất định vị khác nhau. Đây là việc kỳ lạ theo trực giác đời thường nhưng xảy ra trong thế giới vi mô. Xác suất này có thể tính được từ phương trình sóng nổi tiếng của Schrödinger. Phương trình được diễn tả dưới một dạng đơn giản, HΨ = EΨ, Ψ là hàm số sóng. Bình phương của Ψ là xác suất hiện hữu của hạt ở một vị trí nào đó. Tính ngẫu nhiên từ xác suất của phương trình Schrödinger và sự nhòe mờ trong nguyên lý bất định Heisenberg ngự trị thế giới vi mô của cơ học lượng tử. Cái "có có không không" nầy đã cho con người một vũ khí suy luận về đặc tính vật lý của những cái nhỏ nhất nơi mà những định luật của cơ học cổ điển phải lùi bước. Có lẽ khi khám phá ra phương trình nầy Schrödinger còn cao hứng hơn cả Archimede khi phát hiện được sức đẩy của nước lúc ngâm trong bồn tắm; Archimede nhảy ào ra khỏi bồn chạy ra ngoài đường trần truồng như nhộng la lớn "Eureka!" (tìm ra rồi!). Erwin Schrödinger người Áo, đã viết ra phương trình này trong những ngày đắm say của một cuộc hẹn hò lãng mạn với người bạn gái trong vùng rừng núi Alps… Ông quả là một nhà khoa học lãng tử hào hoa, cùng một lúc phụng sự cho cả khoa học và tình yêu! Công thức Planck, E = hν, biểu hiện tính hạt của sóng; năng lượng quang tử, E, được biểu thị bởi tần số sóng n. Gần 20 năm sau định luật bức xạ Planck, nhà vật lý người Pháp, Louise de Broglie, táo bạo đưa ra một đề xuất ngược lại cho rằng hạt cũng có thể là sóng. Từ công thức E = hν, ông cho thấy vi hạt (điện tử và các hạt sơ cấp) khi di chuyển ở vận tốc v sẽ tương ứng với sóng với bước sóng l = h/mv (h là hằng số Planck, m là khối lượng hạt và v là vận tốc). Một lần nữa, ta thấy lưỡng tính sóng/hạt xuất hiện trong công thức de Broglie; bước sóng l tùy thuộc vào khối lượng hạt m. Thí nghiệm đã chứng minh sự di động của điện tử, vốn là hạt, sinh ra hiện tượng giao thoa, nhiễu xạ của sóng. Thí dụ khi điện tử di chuyển trong một điện trường có điện áp 1 volt, điện tử có bước sóng là 1,2 x 10-9 m (vùng của tia X) [1]. Như vậy, trái banh golf khi chuyển động có trở thành sóng không? Theo de Broglie, trái banh golf (hay những vật di động như chim bay, cò bay, xe chạy, người đi....) cũng có dạng sóng. Ta hãy dùng con tính cho dễ hiểu. Dùng công thức de Broglie, ta tính được "bước sóng" của banh ở độ dài khoảng 10-34 m [2], nhưng trị số này quá nhỏ để có những hiện tượng mang tính chất sóng như nhiễu xạ và giao thoa xảy ra. Vì vậy, theo những trải nghiệm thường ngày, một cú vớt banh trên sân golf dù nhìn thế nào đi nữa thì banh vẫn là banh! Sau cú vớt, trái banh golf bay lạc hướng va vào một gốc cây, theo định luật tác lực và phản lực Newton trái banh golf sẽ bị dội trở lại. Chuyện bình thường không gì phải ngạc nhiên. Nhưng cái ngạc nhiên là khi trái banh được thu nhỏ đến kích cỡ của điện tử thì trái banh có thể đi "xuyên" qua vật chắn vì "banh" bây giờ có tác dụng như sóng. Lại thêm một hiện tượng "ma quái" khác của cơ học lượng tử được gọi là hiệu ứng đường hầm (tunelling effect). Nhìn lại công thức bước sóng của de Broglie, ta nhận ra ngay chỉ có những vật cực nhỏ với khối lượng cực nhỏ mới cho bước sóng có một con số đủ lớn để hiệu ứng này xảy ra. Tính nhị nguyên sóng/hạt là một đặc tính tiêu biểu của cơ học lượng tử. Schrödinger khi đề cập đến bản chất của những hạt sơ cấp từng nói "Không nên nhìn một hạt như là một thực thể cố định mà hãy xem nó như là sự kiện nhất thời. Đôi khi những sự kiện nầy liên kết với nhau cho ra một ảo giác của những thực thể cố định" (It is better not to view a particle as a permanent entity, but rather as an instantaneous event. Sometimes these events link together to create the illusion of permanent entities) [3]. Khó hiểu? Có lẽ. Nhưng ta đừng đánh giá thấp khả năng tư duy của mình vì ta đang bẻ cong hay phải đi ngược với trực giác đã được thành hình qua những trải nghiệm của cuộc sống đời thường. Chính vì vậy khi bàn về lượng tử, giáo sư Richard Feynman từng nói "Nếu bạn nghĩ rằng bạn đã hiểu cơ học lượng tử, thì bạn thật ra chưa hiểu gì về nó cả". Tuy nhiên, cái mù mịt lượng tử sẽ sáng tỏ hơn khi ta đặt cái ảo giác của Schrödinger trong cái nhìn triết học Phật giáo, khi mà bản chất vô ngã, vô thường của vật chất - lúc sóng lúc hạt, "vậy mà không vậy" - thật ra chỉ là kết quả của cõi ta bà phản ánh điều kiện thí nghiệm và sự đo đạc của người quan sát. Như vậy, đâu là lằn ranh giữa vật chất vĩ mô tuân theo cơ học cổ điển và vật chất vi mô của thế giới lượng tử. Các bậc tiền bối như Bohr, Heisenberg và von Neumann vẫn nhấn mạnh sự phân chia giữa hai phạm trù cổ điển và lượng tử, mặc dù các ông cũng thừa nhận rằng chưa có qui luật vật lý nào có thể định vị rõ rệt lằn ranh "đổi đời" này. Gần đây (năm 2005), một nhóm nghiên cứu tại Áo và Đức [4] dùng giao thoa kế phân tử (molecular interferometry) tìm kiếm lằn ranh này qua sự kiểm nhận vạch giao thoa của các loại phân tử trong chân không bằng cách tăng dần độ lớn phân tử cho đến khi các vạch này biến mất. Các phân tử lớn như quả bóng C70 (70 nguyên tử carbon, đường kính 1 nm), phân tử sinh học C44H30N4 (đường kính 2 nm) và phân tử nặng ký C60F48 (phân tử lượng = 1632, đường kính 1 nm), đã cho thấy vạch giao thoa. Tính nhị nguyên sóng/hạt được xác lập. Phân tử C60F48 là phân tử có phân tử lượng cao nhất từ trước đến giờ được ghi nhận mang tính nhị nguyên sóng/hạt. Tuy nhiên, khi có sự tác động của phân tử khí của môi trường xung quanh. Các vạch giao thoa bị nhoè đi nhanh chóng. Tính chất sóng của hạt bị suy giảm rồi tan biến. Thí nghiệm này cho thấy một kết quả quan trọng là ngoài kích thước, sự tương tác va chạm với vật chất trong môi trường ảnh hưởng đến tính nhị nguyên sóng/hạt trong thế giới vi mô. Lằn ranh giữa cơ học cổ điển và lượng tử, tất định và bất định không phải là một đường biên rõ rệt mà tùy thuộc vào điều kiện thí nghiệm và môi trường xung quanh. Ta lại thấy bản chất vô ngã của sự vật. Thuyết duyên sinh trong Phật giáo nói đến sự liên hệ hỗ tương của vạn vật; "cái này sinh cái kia sinh, cái này diệt cái kia diệt". Vì duyên sinh nên vô ngả. Lằn ranh mờ ảo giữa cơ học cổ điển và cơ học lượng tử lúc ẩn lúc hiện tùy vào sự tương tác của vật được quan sát và môi trường xung quanh, chẳng qua cũng không ngoài sự chi phối của duyên sinh bao trùm vũ trụ. Vào thập niên 70 của thế kỷ trước, những thiết bị thực nghiệm tinh vi ra đời. Những định luật lượng tử đầu thế kỷ 20 vừa mang tính triết học vừa mang tính khoa học ẩn tàng một chút ma quái giờ đây được kiểm chứng với những thành công vượt bực. Những phát hiện bất ngờ từ các kết quả của thực nghiệm lượng tử không những giải tỏa được nhiều băn khoăn cũ xung quanh những cuộc tranh luận giữa Einstein và Bohr, mà còn cho các nhà vật lý một khung trời mới trong việc tạo lập cơ sở cho môn tin học lượng tử (quantum information) mà đỉnh cao sẽ là máy tính lượng tử và các phương tiện viễn thông lượng tử. Mặt khác, sự xuất hiện của nền công nghệ nano vào thập niên 90 đã trở thành một mục tiêu cho các ứng dụng tuân theo cơ học lượng tử. Các vật liệu nano trong phạm vi từ 1 dến 10 nm (nanomét) nằm giữa kích cỡ của các loại phân tử nhỏ và vật liệu khối. Để cho thấy độ nhỏ cũng như "độ lớn" của vật liệu nano, 2 gram hạt nano có đường kính 100 nm có thể phân phát cho toàn thể 6 tỷ người trên quả đất này mỗi người 300.000 hạt; 1 gram ống than nano có diện tích bề mặt là 1.600 m2 rộng tương đương với 8 sân tennis. Tính chất của vật liệu nano không phải như vật liệu khối mà cũng không giống các hợp chất phân tử, vừa nằm trong vòng chi phối của các qui luật vật lý cổ điển vừa tùy thuộc vào thuyết lượng tử. Những tính chất này bao gồm cơ tính, lý tính, quang tính, từ tính, hóa tính, biến đổi tùy vào độ lớn của hạt (dây, sợi) nano, khoảng cách các hạt (dây, sợi) và hình dạng của nó. Như ta sẽ thấy ở phần kế tiếp, ảnh hưởng của cơ học lượng tử trên vật liệu nano cho ta những hiện tượng thú vị và những ứng dụng vô cùng to lớn.
|
|
|
Post by vietnam on May 22, 2009 11:23:24 GMT -5
3. Ảnh hưởng của sự thu nhỏ Hơn 15 năm qua, việc chế tạo các loại tinh thể nano, hạt nano kim loại, kim loại từ tính và bán dẫn có kích thước từ vài nm đến vài chục nm có sự tiến bộ vượt bực. Phương pháp tổng hợp hạt nano có kích thước vài nm và đơn phân bố (monodispersion) được trình bày tỉ mỉ trong một bài báo cáo tổng quan đặc sắc gần đây [5]. Trước khi khảo sát ảnh hưởng của các qui luật lượng tử đến vật liệu nano, ta hãy xem sự thu nhỏ tự bản thân đã mang lại những thay đổi nào đến các đặc tính của vật liệu. Sự gia tăng bề mặt ở cấp độ triệu lần đến tỷ lần khi vật chất thu nhỏ từ mức vĩ mô, trung mô (m, cm, mm, µm) đến cấp nanomét làm thay đổi lý tính, quang tính, từ tính và các đặc tính nhiệt động học của vật chất đó. Những "hằng số tự nhiên" của vật liệu khối mà ta ngỡ là bất biến, khi ở mức nm trở thành khả biến theo độ lớn hạt. Thật ra, các đặc tính của vật liệu tùy vào sự nối kết, cấu trúc của nguyên tử gồm nguyên tử bên trong (bulk) và nguyên tử bề mặt. Ở kích thước đời thường, số nguyên tử bề mặt gần như không đáng kể so với số nguyên tử bên trong. Khi bị thu nhỏ đến nanomét, bề mặt gia tăng và số nguyên tử bề mặt cũng gia tăng. Ta hãy xem vài thí dụ đơn giản về độ nóng chảy, từ tính và cơ tính của một số vật liệu. Độ nóng chảy của vàng khối là 1.064 °C. Khi vàng ở độ lớn cm, mm, thậm chí µm, các tỉ lệ nguyên tử vàng ở bề mặt so với nguyên tử bên trong vật chất có thể xem như là không đáng kể. Độ nóng chảy còn duy trì ở khoảng 1.000 °C khi hạt vàng có độ lớn 50 nm vì nguyên tử ở bề mặt chỉ chiếm 6 %. Tuy nhiên, khi hạt nhỏ hơn 5 nm (chứa 3600 nguyên tử vàng) nguyên tử bề mặt chiếm 20 %, độ nóng chảy giảm đến 900 °C và đến 350 °C khi hạt ở kích thước 2 nm (200 nguyên tử vàng, nguyên tử bề mặt 50 %). Sự chênh lệch vài trăm °C do sự khác biệt chỉ vài nanomét giữa 2 - 5 nm cho thấy tầm quan trọng của ảnh hưởng độ lớn ở thứ nguyên nano. Khi ngoại suy đến kích thước 1 nm (30 nguyên tử, nguyên tử bề mặt 80 %) thì độ nóng chảy chỉ còn 200 °C [6]. Hình 1: Ảnh hưởng của sự thu nhỏ trên từ tính của sắt, (a) vòng từ trễ của sắt khối và (b) của hạt nano sắt (Nguồn: Wikipedia). Cơ tính và lý tính cũng bị ảnh hưởng của sự thu nhỏ. Đã có nhiều công trình phát hiện sự gia tăng cơ tính về độ bền (strength) và độ dai (toughness) của các hạt nano kim loại và ceramic. Hạt nano đồng với kích thước 10 nm gia tăng độ cứng (hardness) 8 lần cao hơn đồng khối. Ngoài ra, những cấu trúc bề mặt nano còn đem lại những hiệu quả như gia tăng lực bám do lực van der Waals mô phỏng bàn chân thạch sùng hay tạo ra bề mặt cực ghét nước (superhydrophobic) hay cực thích nước (superhydrophilic) của một số vật liệu. Ảnh hưởng của các qui luật lượng tử trên sự thu nhỏ của vật liệu ở cấp độ nanomét là một hiện tượng nổi bật có thể quan sát qua sự tác động của sóng điện từ trong vùng hồng ngoại, ánh sáng thấy được và tử ngoại trên các loại hạt và cấu trúc nano. Các vật liệu ứng đáp trở lại bằng cách phát sinh ra ánh sáng, dòng điện, chuyển hoán năng lượng tùy vào đặc tính của khe dải năng lượng (energy bandgap) cho ta những ứng dụng như sự phát quang, pin mặt trời, bộ cảm ứng sóng điện từ, máy ảnh hồng ngoại và các dụng cụ quang học, quang điện tử hữu dụng khác. Sự thành hình của khe dải năng lượng, sự biến hóa của khe dải khi vật liệu được thu nhỏ và các ứng dụng sẽ được khảo sát ở phần sau. 4. Dải năng lượng điện tử và sự phát quang Hình 2 : Dải năng lượng điện tử : (a) kim loại (khe dải = 0 eV), (b) chất bán dẫn (khe dải = 1 – 1,5 eV), (c) chất cách điện (khe dải > 3 eV). Dải đen tượng trưng cho dải hóa trị và dải trắng cho dải dẫn điện. Dải năng lượng điện tử (electronic energy band) và khe dải là những đặc tính khối rất quan trọng của chất rắn. Trong chất rắn, sự thành hình của dải năng lượng điện tử quyết định đặc tính dẫn điện, bán dẫn hay cách điện của chất rắn đó. 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. Người ta phỏng tính 1 cm3 chất rắn được 1022 (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 điện tử 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 2). Vì con số 1022 là một con số rất lớn những mức năng lượng chồng chập nhau trông giống như một dải liên tục (continuum). 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. Sự thành hình dải năng lượng của chất rắn có thể không liên tục, khi đó sẽ có một "khoảng trống" xuất hiện, giống như cái mương chia ra hai vùng năng lượng. Khoảng trống đó gọi là khe dải năng lượng (Hình 2). Hình 3: Sự phát quang điện học (electroluminescence) của đèn LED. Năng lượng dư thừa do sự phối hợp điện tử ở năng lượng cao với lỗ trống (+) được biến thành ánh sáng. Màu (bước sóng) của ánh sáng được quyết định bởi trị số của khe dải. Trị số của khe dải năng lượng không những cho biết đặc tính dẫn điện, bán dẫn và cách điện của vật liệu mà còn quyết định quang tính cho những ứng dụng như sự phát quang (đèn LED, light emitting diode), sự hiển thị màu sắc, pin mặt trời của các chất bán dẫn và polymer dẫn điện. Nguyên tắc phát quang của đèn LED là khi cho một dòng điện chạy qua, sự kết hợp giữa điện tử và lỗ trống mang điện dương xảy ra. Trong quá trình kết hợp điện tử "nhảy" từ dải dẫn điện (năng lượng cao) xuyên qua khe dải xuống dải hóa trị (năng lượng thấp) (Hình 3). Năng lượng dư thừa sẽ biến thành ánh sáng có bước sóng định bởi năng lượng khe dải Egap [9]. Thí dụ nếu ta muốn LED phát ánh sáng đỏ (bước sóng = 720 nm, năng lượng Egap = hν = 1,7 eV) thì ta cần một vật liệu có khe dải năng lượng khoảng 1,7 eV. Hàng loạt hợp chất bán dẫn như GaAs, GaAsP, AlGaP, GaP, InGaN đã được chế tạo có trị số khe dải từ 1 eV đến 3,5 eV phát ra nhiều màu sắc khác nhau bao phủ toàn thể phổ ánh sáng thấy được (Bảng 1). Tương tự, đèn PLED (polymer light emitting diode) dùng polymer dẫn điện cũng phát ra nhiều màu sắc tùy vào các loại polymer có Egap khác nhau [9]. Bảng 1: Bước sóng và năng lượng sóng. Ánh sáng Bước sóng λ (nm) Năng lượng sóng E (eV)* Tia tử ngoại ngắn hơn 380 lớn hơn 3,3 Tím 380 3,3 Xanh 450 2,8 Xanh lá cây 530 2,3 Vàng 580 2,1 Đỏ 720 1,7 Tia hồng ngoại dài hơn 720 nhỏ hơn 1,7 *Tính từ công thức E = hν = hc/λ, c: vận tốc ánh sáng 300.000 km/s, λ: bước sóng; 1 eV = 1,602 x 10-19 J. Khe dải năng lượng của trạng thái khối biến đổi khi kích cỡ tiến đến nanomét. Người ta thường bảo "cái bó ló cái khôn", khi vật liệu bị "bó" trong không gian nano ta hãy thử xem chúng sẽ ló cái "khôn" lượng tử như thế nào. 5. Chấm lượng tử và giếng lượng tử Những hạt vật chất chẳng hạn như hạt kim loại có thể nhìn thấy được bằng mắt (kích thước ~1 mm3) vẫn còn có những dải năng lượng điện tử gần như liên tục vì số nguyên tử cấu thành còn rất lớn. Thậm chí, một hạt có thể tích 1 µm3 chỉ có thể nhìn thấy qua kính hiển vi cũng chứa 1010 (10 tỷ) nguyên tử. Con số to lớn này cho biết dải năng lượng vẫn không khác gì hạt ở kích cỡ mm3, cm3. Vì vậy, các đặc tính của hạt 1 µm3 vẫn là đặc tính khối (bulk properties). Nếu tiếp tục thu nhỏ, mọi việc sẽ khác đi ở thứ nguyên nanomét. Giả dụ nếu ta có một hạt kim loại hình lập phương có cạnh dài 5 nm (nanomét) có thể tích 125 nm3, hạt kim loại sẽ chứa trên dưới 1.000 nguyên tử. Ở thứ nguyên cực nhỏ này và con số 1.000 đủ nhỏ để làm gia tăng khoảng cách giữa các bậc năng lượng điện tử. Nói một cách khác, dải năng lượng không còn như một quyển sách dày mà trở thành những trang giấy rời rạc. Sự "liên tục" của dải năng lượng biểu hiện đặc tính khối tiêu biểu biến mất và được thay thế bởi những bậc năng lượng riêng biệt khi vật chất tiến về thứ nguyên nanomét. Ta gọi đây là sự "kìm tỏa lượng tử" (quantum confinement) hay là sự lượng tử hóa năng lượng trong một không gian cực nhỏ. Từ thế giới đời thường của cơ học Newton ta bước vào thế giới sa mù của cơ học lượng tử. Và trong cái thế giới sa mù này vật liệu trở nên "thiên biến vạn hóa" ở kích cỡ nano và cho ta biết bao ứng dụng cực kỳ thú vị. Để hiểu rõ sự lượng tử hóa năng lượng trong một không gian cực nhỏ ta hãy xem đáp án ở phần Phụ lục của bài toán "giếng lượng tử" (quantum well) của phương trình sóng Schrödinger. Trong bài toán này, khi kích thước tiến đến một trị số cực nhỏ năng lượng của điện tử không còn là một dải liên tục mà những mức rời rạc từ thấp đến cao. "Cái giếng" thật ra là hình ảnh của nguyên tử nơi mà điện tử bị kìm giữ trong vòng cương tỏa của nguyên tử. Đường kính "cái giếng" cũng là đường kính của nguyên tử. Phải nói đây là bài toán đơn giản nhưng cho ra một kết quả cực kỳ quan trọng được tóm thu bởi công thức sau (Phụ lục), E = n2h2/8ma2 (n= 1, 2, 3, ….) với E là năng lượng ở bậc n, h là hằng số Planck, m là khối lượng điện tử và a là đường kính giếng hay chấm lượng tử. Từ phương trình sóng Schrödinger và với lời giải của bài toán "giếng lượng tử", các nhà khoa học đã nghĩ ra cái giếng lượng tử thực sự bằng cách tạo ra những "nguyên tử" nhân tạo. "Nguyên tử" này tức là chấm lượng tử (quantum dot). Thuật ngữ nghe hơi lạ tai nhưng nó rất cô đọng và chính xác trong việc diễn tả hình dạng và chức năng của nó. "Chấm lượng tử" biểu hiện một vật cực nhỏ chịu ảnh hưởng của các qui luật lượng tử. Trên thực tế, chấm lượng tử là các hạt nano chứa vài nguyên tử đến vài ngàn nguyên tử có thể được thành hình từ dung dịch colloid. Chấm lượng tử cũng có thể được kích hoạt để phát quang. Cũng như vật liệu khối, sự phát quang của chấm lượng tử cũng tùy thuộc vào trị số khe dải. Nhưng khác với vật liệu khối, chấm lượng tử phát ra nhiều màu sắc khác nhau bằng cách thay đổi kích thước của nó. Những phần kế tiếp sẽ giải thích cơ chế khác biệt trong sự phát quang giữa vật liệu khối và hạt nano (chấm lượng tử). 6. Hạt nano bán dẫn: sự phát huỳnh quang Nghiên cứu về chấm lượng tử ở dạng tinh thể (Hình 4) hay trong dung dịch huyền phù thoạt đầu xuất phát từ việc chế tạo pin mặt trời trong việc gia tăng hiệu suất biến hoán từ năng lượng mặt trời sang điện năng. Kể từ năm 1986, nghiên cứu về chấm lượng tử gia tăng mãnh liệt và cho đến năm 2005 đã có gần 2.000 đăng ký phát minh (patent) cho các ứng dụng của chấm lượng tử. Vào thập niên 90 của thế kỷ trước, các nhà khoa học tại Mỹ và Nga phát hiện các tinh thể nano bán dẫn phát ra những màu ánh sáng khác nhau tùy vào kích cỡ của nó. Ảnh hưởng của kích cỡ vào sự phát quang của vật liệu nano lại càng làm gia tăng cái kỳ bí của thế giới nano. Hình 4: Tập hợp chấm lượng tử (tinh thể nano) silicon. Mỗi chấm có đường kính 7 nm và chứa 50-70 nguyên tử silicon (Nguồn: Dr. Arthur Nozik, National Renewable Energy Laboratorry, Bộ Năng lượng, Mỹ). Sự phát huỳnh quang (fluorescence) là hiện tượng xảy ra khi ta dùng sóng điện từ (quang tử) kích hoạt một vật liệu, đẩy điện tử của vật liệu này từ dải hóa trị đi xuyên qua khe dải lên dải dẫn điện ở năng lượng cao hơn (Hình 5). Sóng kích hoạt thường là sóng mang năng lượng cao như tia tử ngoại hay ánh sáng màu xanh. Điện tử ở năng lượng cao vốn không ổn định lúc nào cũng muốn trở lại chốn cũ có năng lượng thấp. Khi điện tử trở lại dải hóa trị, sự phát quang xảy ra (Hình 5). Cũng giống như sự phát quang điện học (Hình 3), ánh sáng phát quang có năng lượng tương đương với trị số khe dải. Trị số khác nhau sẽ cho màu sắc khác nhau. Hình 5: Cơ chế của sự phát huỳnh quang. (1): Sóng kích hoạt; (2): Sóng phát ra; (): Điện tử. Sự phát huỳnh quang của dung dịch colloid hạt nano bán dẫn CdSe (cadmium selenide) là một thí dụ về ảnh hưởng của sự lượng tử hóa năng lượng trên cơ chế phát quang. Dung dịch colloid của hạt nano CdSe được khảo sát với những hạt có đường kính khác nhau. Sự thay đổi khe dải năng lượng của hạt nano CdSe do sự biến đổi của đường kính hạt có thể khảo sát qua công thức sau, DE = Egap + Equantum DE là khe dải của hạt nano, Egap là khe dải của trạng thái khối (= 1,74 eV) và Equantum là năng lượng do hiệu ứng lượng tử (Hình 6). Hình 7 cho thấy sự đổi màu của dung dịch colloid CdSe từ màu xanh sang màu đỏ khi đường kính hạt gia tăng từ 2,3 đến 5,5 nm. Màu phát quang cực kỳ nhạy với đường kính hạt, chỉ cần khác nhau vài nanomét là màu ánh sáng thay đổi. Lời giải của phương trình sóng Schrödinger cho ta thấy rõ điều này. Khi đường kính hạt tăng gấp đôi, Equantum tăng gấp bốn (công thức 4, Phụ lục). Vì độ nhạy khá cao, quá trình tổng hợp hạt nano đòi hỏi độ đồng nhất về kích cỡ phải thật chính xác cho một màu sắc phát quang nhất định. Hình 6: Khe dải năng lượng của (a) trạng thái khối và (b) hạt nano; (1): Egap; (2): DE và (3): Equantum. DE có thể gia giảm tùy vào Equantum do sự chi phối của kích thước hạt (xem chi tiết trong bài). Hình 7: Kích thước hạt CdSe giảm từ 5,5 nm đến 2,3 nm (từ phải sang trái) khiến sự phát huỳnh quang của dung dịch nước thay đổi từ màu đỏ đến màu xanh bao phủ toàn bộ phổ ánh sáng thấy được [10].
|
|
|
Post by vietnam on May 22, 2009 11:27:12 GMT -5
Để có một sản phẩm thực dụng, hạt nano được hòa lẫn vào một loại polymer trong suốt. Tương tự như trong dung dịch, hạt nano trong polymer sẽ phát các loại ánh sáng khác nhau và cho ta đèn phát huỳnh quang. Cũng giống như đèn neon thủy ngân gia dụng, nguồn tia tử ngoại được dùng trong đèn huỳnh quang hạt nano để kích hoạt các điện tử của hạt. Loại đèn này giải quyết được những khuyết điểm đèn LED bị vướng mắc. Để có những màu phát quang khác nhau, đèn LED cần những vật liệu có khe dải năng lượng khác nhau. Về điểm này, hạt nano dùng độc nhất một vật liệu và chỉ cần thay đổi kích thước. Đèn LED rất khó phát ra ánh sáng xanh và nhất là ánh sáng trắng. Đèn phát huỳnh quang hạt nano cũng vượt qua trở ngại này. Các nhà khoa học tại Sandia National Laboratories thuộc Bộ Năng lượng Mỹ (Department of Energy) đã chế tạo thành công đèn huỳnh quang phát ánh sáng trắng bằng cách trộn hạt nano có đường kính khác nhau phát ra ánh sáng đỏ, xanh lá cây, xanh. Tổng hợp ba loại màu này sẽ cho ra ánh sáng trắng (Hình 8). Kỹ thuật quan trọng trong quá trình chế tạo đèn huỳnh quang hạt nano là cần phải tránh sự kết tập của hạt nano, vì khi có sự kết tập xảy ra, đường kính gia tăng làm đặc tính nano biến mất và việc điều chỉnh màu sẽ mất hiệu quả. Một thông tin gần đây [11] cho biết ống than nano - một vật liệu thần kỳ và đa năng - khi được cắt thành những ống rất ngắn sẽ trở nên chấm lượng tử phát quang khi được kích hoạt bởi tia tử ngoại do hiệu ứng giếng lượng tử. Hình 8: Đèn phát huỳnh quang màu xanh (trái) và màu trắng (phải), được chế tạo tại Sandia National Laboratories (Mỹ). Nguồn: http://www.physlink) Đèn huỳnh quang hạt nano phát ánh sáng trắng hiện nay vẫn là một đề tài nghiên cứu quan trọng nhằm tạo ra loại đèn có tuổi thọ cao và ít hao năng lượng [12]. Mặc dù có những ưu điểm vượt trội hơn các loại LED trên thương trường, việc thương mãi hóa đèn huỳnh quang hạt nano để tạo ra một sản phẩm đại trà hay chế tạo màn hình TV vẫn còn nhiều khó khăn và tùy thuộc vào cách tổng hợp các hạt nano có kích thước giống nhau và cách hòa lẫn đồng đều vào các vật liệu nền không có sự kết tập ngoài ý muốn. 7. Hạt nano kim loại vàng: plasmon và sự phát huỳnh quang Từ buổi bình minh của lịch sử loài người, vàng có thể nói là bề nổi của một nền văn minh. Hơn 3.000 năm trước, tại Ai Cập và Trung Quốc con người đã ý thức vàng là kim loại quý, đã biết khai thác, gia công vàng tạo ra các đồ trang sức quý giá và được xem như một thế chấp cụ thể dự trữ cho sự phồn thịnh của một triều đại. Giá trị về mỹ thuật hay kinh tế của vàng cho đến ngày hôm nay vẫn không có nhiều thay đổi, nhưng trong nền công nghệ nano hiện đại với những tiềm năng ứng dụng quan trọng của hạt nano vàng trong quang học, quang điện tử và y học, vàng nano có lẽ còn quí giá hơn vàng khối trên quan điểm thực dụng nhằm phụng sự cho cuộc sống và hạnh phúc con người. Ở trạng thái khối, trong các áp dụng quang học hay quang điện tử, vàng hữu dụng cho lắm thì chỉ dùng làm gương phản chiếu, kỳ dư xem như là "bỏ đi". Tuy nhiên, vàng nano cho con người một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng hoàn toàn mới lạ. Khi sóng điện từ tác dụng lên hạt nano vàng, tùy vào kích cỡ của hạt sóng điện từ sẽ (1) có tác dụng sóng tuân theo hiệu ứng "cộng hưởng plasmon" của các điện tử tự do bề mặt và (2) có tác dụng hạt khi kích cỡ của vàng nhỏ hơn 2 nm và sự phát huỳnh quang xảy ra tuân theo qui luật lượng tử như hạt bán dẫn CdSe. Chúng ta hãy tuần tự khảo sát hai trường hợp thú vị này. Đặc điểm của kim loại là sự hiện hữu dày đặt của những điện tử tự do. Đây cũng là nguyên nhân của sự bóng loáng bề mặt, truyền điện và truyền nhiệt ưu việt của kim loại. Khi kim loại như vàng và bạc ở dạng hạt nano, hạt không còn màu vàng hay bạc "cố hữu" ở trạng thái khối mà phát ra nhiều màu sắc khác nhau tùy vào kích cỡ và hình dạng (Hình 9). Điều này đi ngược lại những hiểu biết thường thức trong cuộc sống hàng ngày. Hai chiếc nhẫn vàng được nấu chảy và gia công thành một chiếc nhẫn to gấp đôi thì vẫn là chiếc nhẫn màu vàng. Thật ra, màu sắc của hạt nano vàng và bạc từ dung dịch huyền phù đã được người La Mã áp dụng vào thế kỷ 4. Người ta còn pha chế hạt nano vàng với thủy tinh để làm kính màu đỏ "ruby" trang trí cho cửa sổ thánh đường. Mặc dù hạt nano vàng đã được áp dụng hơn 1.700 năm, sự đổi màu của hạt chỉ được làm sáng tỏ vào năm 1908 bởi nhà khoa học Đức, Gustav Mie, qua lời giải dựa trên phương trình sóng điện từ Maxwell cho bài toán về sự hấp thụ và tán xạ của sóng trên bề mặt của các hạt hình cầu. Vì vậy, sự hiển thị màu sắc của hạt nano vàng có đường kính từ vài chục đến vài trăm nanomét không trực tiếp liên quan đến sự lượng tử hóa năng lượng vì sóng điện từ tác động lên những điện tử tự do bề mặt hạt mang đặc tính sóng có cơ bản lý thuyết dựa trên phương trình Maxwell. Hình 9: Sự thay đổi màu sắc của hạt nano vàng ở các kích thước khác nhau (Nguồn: Dr. Michael Cortie, University of Technology, Sydney, Australia). Màu vàng quen thuộc của vàng là sự hấp thụ ánh sáng màu xanh của phổ mặt trời và phát ra màu vàng. Nhưng khi vàng được thu nhỏ cho đến kích cỡ nhỏ hơn bước sóng của vùng ánh sáng thấy được (400 - 700 nm), theo Mie hiện tượng "cộng hưởng plasmon bề mặt" (surface plasmon resonance, SPR) xảy ra. Đây là do tác động của điện trường của sóng điện từ (ánh sáng) vào các điện tử tự do trên bề mặt của hạt nano. Điện trường làm phân cực hạt, dồn điện tử về một phía tạo ra hai vùng, vùng mang điện tích âm và vùng mang điện tích dương (Hình 10). Vì bản chất sóng nên điện trường dao động làm cho sự phân cực bề mặt dao động theo. Sự dao động này được gọi là "plasmon". Đám mây điện tích trên bề mặt hạt cũng sẽ dao động lúc âm lúc dương theo nhịp điệu và cường độ của điện trường. Ở một kích thước và hình dáng thích hợp của hạt nano, độ dao động (tần số) của đám mây điện tích sẽ trùng hợp với độ dao động của một vùng ánh sáng nào đó. Sự cộng hưởng xảy ra và vùng ánh sáng này sẽ bị các hạt nano hấp thụ. Đây là một hiện tượng đặc biệt cho vàng và bạc nhưng không thấy ở các kim loại khác như sắt, bạch kim hay palladium. Hình 10: Sự phân cực điện tử bề mặt của hạt hình cầu do điện trường của sóng điện từ. SPR có bước sóng hấp thụ trong khoảng 520 nm (sóng màu xanh) và ít bị ảnh hưởng của kích thước hạt trong phạm vi từ 9 đến 22 nm (Bảng 2). Các hạt nano hấp thụ ánh sáng xanh sẽ hiển thị màu đỏ. Khi nhìn lại kính "ruby" đỏ mà cổ nhân đã chế tạo từ mấy trăm năm trước, ta nhận ra ngay những hạt nano vàng được chế tạo theo phương thức cổ truyền có kích thước 9 - 22 nm. Khi hạt càng lớn thì bước sóng hấp thụ có bước sóng dài hơn và khi đến kích thước 99 nm, hạt hấp thụ sóng màu vàng (bước sóng 575 nm) và hiển thị màu xanh. Bảng 2: Sự phân cực của điện tử bề mặt do điện trường của sóng điện từ [13]. Đường kính hạt (nm) Bước sóng hấp thụ (nm) 9 517 15 520 22 521 48 533 99 575 Với một sáng kiến độc đáo, một nhóm nghiên cứu tại Rice University (Mỹ) [14] đã phủ vàng lên hạt nano silica (thủy tinh) tạo nên vỏ nano vàng (nanoshell). Điều chỉnh đường kính hạt silica đến 210 nm và độ dày của vàng làm di chuyển sự hấp thụ sóng điện từ bởi SPR đến vùng tia cận hồng ngoại (bước sóng 800 - 2.200 nm). Phương pháp phủ vàng lên hạt thủy tinh silica tạo ra một vật liệu lai với khả năng hấp thụ sóng bởi SPR về phía vùng phổ của những bước sóng dài hơn vùng hồng ngoại, tiến về sóng terahertz, vi ba, những dải sóng rất quan trọng trong công nghệ truyền thông. Trong dải sóng này, tiềm năng ứng dụng của loại hạt nano lai trong các dụng cụ quang điện tử gần như vô hạn. Hình 11: Sự phát huỳnh quang ánh sáng xanh của hạt nano vàng chứa 8 nguyên tử vàng [15]. Hiệu ứng SPR sẽ biến mất khi vật liệu trở lại trạng thái khối. Khi các hạt nano vàng tập tích đến độ lớn micromét, cái màu vàng quyến rũ nguyên thủy của kim loại vàng sẽ xuất hiện trở lại. Ngược lại, hiệu ứng SPR cũng sẽ biến mất khi hạt nano nhỏ hơn 2 nm. Ở thứ nguyên này, ta đi vào thế giới lượng tử. Giống như chấm lượng tử bán dẫn được đề cập bên trên, năng lượng được lượng tử hóa thành các mức rời rạc. Sóng điện từ giờ đây có tác dụng hạt (quang tử). Nhóm của giáo sư Robert Dickson (Georgia Institute of Techology, Mỹ) đã tạo ra những hạt nano (chấm lượng tử) vàng với kích thước thật chính xác chứa 5, 8, 13, 23 và 31 nguyên tử [15]. Đây là những hạt phát huỳnh quang trong đó chùm 31 nguyên tử có đường kính lớn nhất khoảng 1 nm. Những hạt này được xử lý bề mặt để hòa tan được trong nước. Trong dung dịch nước, theo thứ tự kích thước từ nhỏ đến lớn khi được kích hoạt những hạt này có khả năng phát ra tia tử ngoại, ánh sáng xanh, xanh lá cây, đỏ và tia hồng ngoại (Hình 11). So với chấm lượng tử bán dẫn CdSe chứa vài trăm đến hơn 1.000 nguyên tử, chấm lượng tử vàng nhỏ hơn với vài chục nguyên tử và không có độc tính như Cd. Vì vậy, tiềm năng áp dụng trong y học rất lớn. 8. Giếng lượng tử và tia hồng ngoại Tia hồng ngoại (hồng: đỏ, ngoại: ngoài) là vùng sóng phía ngoài ánh sáng đỏ, có bước sóng dài hơn ánh sáng đỏ trải dài từ 700 nm đến 14.000 nm (14 µm). Tia hồng ngoại là vùng sóng điện từ vô cùng quan trọng trong các ứng dụng viễn thông, không gian, quốc phòng và dân dụng. Những gì ta gọi là "nhiệt" theo ý nghĩa thông thường phát từ lò sưởi, ly nước nóng, cơ thể con người đều nằm trong vùng sóng hồng ngoại. Mặc dù tia hồng ngoại có băng tần dải rộng (broadband), nhưng phần lớn bị bầu không khí hấp thụ chỉ chừa lại những "cửa sổ", tức là những vùng sóng tia hồng ngoại không bị hấp thụ, đặc biệt là vùng sóng 3 - 5 µm và 8 - 14 µm. Hai vùng này theo định luật bức xạ Planck tương đương một vật phát nhiệt có nhiệt độ 300 - 600 °C (3 - 5 µm) và 30 – 40 °C (8 - 14 µm). Một cách ngẫu nhiên, đây cũng là vùng nhiệt độ của động cơ nổ hay động cơ phản lực và nhiệt độ con người. Vì vậy, trong những dụng cụ cảm biến với tia hồng ngoại (infrared detector/sensor) người ta thiết kế vật liệu có thể hấp thụ hai vùng sóng này. Công nghệ tia hồng ngoại đã đạt đến mức độ trưởng thành và đã sản xuất những dụng cụ và thiết bị quan trọng. Bộ cảm biến hồng ngoại là một bộ phận trung tâm của tên lửa tìm nhiệt dùng để truy lùng những nguồn nhiệt từ máy bay và tàu chiến đối phương, điều khiển tên lửa phá tung mục tiêu. Bộ cảm biến viễn hồng ngoại (bước sóng 8 - 12 µm) là một trong những thiết bị quan trọng trong các vệ tinh dùng để quan sát mặt đất cho mục đích quân sự và dân sự. Một trong những dụng cụ quan trọng khác là máy ảnh hồng ngoại chọc thủng màn đêm, xuyên qua bụi rậm chụp những bức ảnh do sự khác biệt nhiệt độ giữa mục tiêu chụp và môi trường xung quanh (Hình 12). Thiết bị này được gắn vào ống nhòm hoặc kính cá nhân (goggle) xé toạt bóng tối phát hiện dễ dàng những kẻ đi ngang về tắt, thích chui vào bụi làm những chuyện mờ ám linh tinh! Hình 12: Hai người lính trong bụi rậm với màn đêm dày đặc hiện ra trong máy ảnh hồng ngoại (Nguồn: Wikipedia). Mặc dù nền công nghệ hồng ngoại đã trưởng thành, nhưng chế tạo những vật liệu cảm ứng hồng ngoại ở những bước sóng nhất định với độ nhạy cao vẫn là những thử thách lớn trong vật liệu học. Những vật liệu cảm thụ tia hồng ngoại thường là silicon hay là các hợp chất bán dẫn như PtSi, InSb, InGaAs, HgCdTe. Gần đây, vật liệu hữu cơ như ống than nano và polymer dẫn điện được khảo sát cũng cho thấy sự cảm ứng đối với tia hồng ngoại. Khi quang tử hồng ngoại kích hoạt điện tử của vật liệu, dòng điện xuất hiện và qua cường độ dòng điện sự khác biệt nhiệt độ của mục tiêu được ghi nhận thành hình ảnh. Nguyên tắc này cũng giống như máy ảnh kỹ thuật số thông thường trong đó sự xuất hiện dòng điện là do cảm ứng với ánh sáng thấy được. Từ thập niên 80 của thế kỷ trước, các nhà khoa học đã ghi nhận khả năng hấp thụ tia hồng ngoại xảy ra tại các bậc năng lượng của giếng lượng tử. Cơ quan NASA và Jet Propulsion Laboratories (California Institute of Technology, Mỹ) từ hai thập niên qua đã đầu tư vào chương trình nghiên cứu "bộ cảm ứng hồng ngoại giếng lượng tử" (quantum well infrared photodetector, QWIP) và chế tạo máy ảnh QWIP cho vệ tinh và cho những trang bị theo dõi tên lửa đạn đạo [16]. QWIP là chương trình nghiên cứu cơ mật quốc gia của Mỹ và chỉ mới được giải mật vào năm 1997. Nhu cầu chế tạo những "thiên lý nhãn" dùng trong các vệ tinh ngoài không gian để quan sát quả địa cầu cho việc tiên đoán thời tiết, tìm kiếm quặng mỏ, trinh sát quân sự đòi hỏi những vật liệu có thể cảm ứng tia viễn hồng ngoại với bước sóng rất dài (> 12 µm). Ở những bước sóng dài năng lượng càng nhỏ (E = hν = hc/λ) và cái giếng lượng tử của phương trình sóng Schrödinger trở thành một nền tảng cơ bản trong việc thiết kế vật liệu để đáp ứng nhu cầu này. Vật liệu tiêu biểu của QWIP là hợp chất bán dẫn GaAs và AlGaAs. GaAs là một lớp mỏng nanomét được kẹp giữa hai lớp AlGaAs. AlGaAs có khe dải năng lượng to hơn GaAs, nên khi kết hợp lại với nhau giếng lượng tử GaAs với đường kính vài nanomét sẽ được thành hình (Hình 13). Kích thước của giếng GaAs được thiết kế sao cho điện tử trong giếng được quang tử hồng ngoại kích hoạt lên bậc năng lượng cao hơn nhảy thoát ra khỏi miệng giếng trở thành dòng điện (Hình 13). Chiều cao giếng được điều chỉnh bởi nồng độ nhôm trong hợp chất AlGaAs và khoảng cách giữa các bậc năng lượng bởi đường kính giếng (công thức 5, Phụ lục). Giống như trường hợp sự phát huỳnh quang của chấm lượng tử, ta dùng một vật liệu giống nhau chỉ cần điều chỉnh đường kính và chiều cao nano của giếng, QWIP có thể bao trùm toàn thể vùng hồng ngoại, cảm ứng những vùng sóng từ cận hồng ngoại (1 - 3 µm) đến viễn hồng ngọai (8 - 12 µm), cực viễn hồng ngoại (> 12 µm). Các nhà vật liệu học đi xa hơn, thiết kế các loại giếng lượng tử có thể cảm nhận quang tử ở vùng sóng có bước sóng dài hơn nữa tiến đến vùng sóng terahertz (bước sóng 30 - 3000 µm, năng lượng mili eV) có nhiều áp dụng trong y học và việc chống khủng bố, rà soát vũ khí hay bom mang trong người. Hình 13: Cơ chế của QWIP. Điện tử () được kích hoạt trong giếng lượng tử nhảy ra ngoài trở thành dòng điện. (a): AlGaAs; (b):GaAs; (1) (2): Khe dải năng lượng; (.....): Bậc năng lượng trong giếng do sự lượng tử hóa. Những tiến bộ trong cách tạo hình chấm lượng tử bán dẫn trong công nghệ nano đưa đến việc áp dụng chấm lượng tử trong bộ cảm ứng hồng ngoại (quantum dot infrared detector, QDIP). Những năm gần đây, rất nhiều kết quả của các công trình QDIP đã được công bố trên các tạp chí chuyên ngành [17]. Theo lý thuyết QDIP có độ nhạy cao hơn QWIP và các hợp chất bán dẫn cảm ứng ở vùng viễn hồng ngoại, nhưng chúng cần thời gian cho sự nghiên cứu để trở thành các sản phẩm điện tử và quang điện tử hữu dụng. Chỉ trong vòng 20 năm QWIP đã có những bứt phá kỹ thuật và trở thành một bộ môn quan trọng trong công nghệ bán dẫn. Lý thuyết về QWIP đã được viết thành sách [18-19], và những phương thức trong công nghệ nano tạo ra vật liệu nano với độ chính xác cấp nanomét sẽ cho ta những dụng cụ hồng ngoại, terahertz thỏa mãn độ nhạy và chức năng cao trong một tương lai không xa.
|
|
|
Post by vietnam on May 22, 2009 11:29:00 GMT -5
9. Tiềm năng ứng dụng Ngoài sự phát quang, việc chuyển hoán năng lượng mặt trời thành điện năng là một ứng dụng quan trọng khác của chấm lượng tử với hiệu suất kinh ngạc 300 %, vượt trội hơn tất cả vật liệu được biết từ trước đến nay (hiệu suất của pin mặt trời silicon trên thương trường chỉ có 15 %) [20]. Vật liệu nano còn có một ứng dụng nổi bật là trị liệu, chẩn đoán bệnh, tải thuốc đến tế bào bệnh và các áp dụng trong khác nghiên cứu y sinh học. Sự phát sáng huỳnh quang không ngừng ở việc tạo các loại bóng đèn nhiều màu sắc. Chấm lượng tử (hạt nano) được "gắn" vào các phân tử sinh học trong tế bào. Dưới sự kích hoạt của tia tử ngoại, chấm lượng tử phát quang giống như cây thông Christmas trong tế bào, giúp ta phân biệt phân tử ta muốn quan sát với các phân tử xung quanh. Các nhà khoa học tận dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon của hạt nano vàng tạo ra bộ cảm ứng sinh học và sự phát huỳnh quang trong việc trị liệu ung thư. “Thiên lý nhãn” QWIP bao trùm cả vùng hồng ngoại và sóng terahertz là một loại thiết bị cảm ứng đa năng, khi áp dụng cho thiên văn có khả năng "nhìn" thấy những hành tinh lạnh chơi vơi trong vũ trụ, hay gần gũi hơn nhìn địa cầu từ vệ tinh, và khi hướng vào cơ thể con người QWIP giúp y sĩ định vị khối u ung thư, gia tăng sự chính xác cho quá trình phẫu thuật. Tất cả những tiềm năng ứng dụng nhiều hứa hẹn này nằm ngoài khuôn khổ bài viết và sẽ được đề cập ở một cơ hội khác. 10. Thượng đế đổ xí ngầu! Mặc dù Einstein là người “đã thấy rõ hơn ai hết trước ông nền tảng xác suất của các định luật vật lý, và ông là người tiên phong trong cuộc chiến đấu chinh phục sự hoang dã của các hiện tượng lượng tử” (Max Born) [21], nhưng cuối cùng Einstein không tin vào tính xác suất như nền tảng của thế giới vi mô. Cho đến ngày ông qua đời, Einstein không tin cơ học lượng tử là một lý thuyết hoàn chỉnh. Ông đã hoài nghi nguyên lý bất định Heisenberg rồi sau đó phải công nhận nó, nhưng vẫn bất đồng ý kiến với Bohr về thế giới quan lượng tử, được diễn tả qua câu nói "Thượng đế không đổ xí ngầu" (God does not play dice). Câu nói đã là một ám ảnh lớn của các nhà khoa học nhiều thập niên liền, làm cho nhiều trí tuệ lớn trong vật lý phải ngập ngừng, bối rối. Nhưng định lý Bell (1964) và các kiểm tra thực nghiệm nối tiếp sau đó đã chứng minh rằng Thượng đế quả thật đã đổ xí ngầu [21]. Và Thượng đế chơi trò này rất giỏi vì ngày hôm nay biết bao ứng dụng điện tử, quang điện tử hữu ích cho con người đã xuất hiện nhờ vào tính chất xác suất của thế giới lượng tử. Bước vào thế kỷ 21, cơ học lượng tử không còn mang màu sắc huyền bí của triết học hay chỉ là một cuộc chơi toán học cao cấp chỉ thỏa mãn tính hiếu kỳ hàn lâm, mà nó đã được khoát lên chiếc áo thực dụng với những áp dụng quan trọng trong tin học lượng tử (quantum information) và công nghệ nano. Như trong bài viết này đã trình bày, sự thu nhỏ của vật liệu đến cấp nanomét đã cho thấy rõ sự chi phối lượng tử, tạo ra những bậc năng lượng rời rạc. Chỉ cần những qui luật cơ bản nhất trong cơ học lượng tử cũng đủ để cho ra những ứng dụng cực kỳ mới lạ qua sự tác động của sóng điện từ trên các vật liệu nano trải rộng từ sóng terahertz, viễn hồng ngoại cho đến vùng ánh sáng thấy được, tia tử ngoại, bao trùm một vùng to lớn của sóng điện từ với bước sóng kéo dài từ vài ngàn micromét đến vài trăm nanomét. Điều này phản ánh sự thành công lớn của cảm ứng hồng ngoại trong nền công nghiệp bán dẫn hiện đại. Vật liệu nano trở thành một sân chơi để cơ học lượng tử thao túng và khẳng định tiềm năng áp dụng của mình. Cơ học lượng tử cũng là ánh đuốc dẫn đường định hướng việc chế tạo những vật liệu nano mới cho các ứng dụng tương lai trong điện tử, quang điện tử và quang tử học. Tinh thể nano, hạt nano, ống nano, que nano của các chất hữu cơ, oxide kim loại hay bán dẫn vô cơ với nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, lần lượt xuất hiện trong các phòng thí nghiệm trên thế giới. Đèn LED, đèn huỳnh quang hạt nano cho những tiềm năng ứng dụng vô cùng phong phú của công nghệ "xanh" theo tiêu chuẩn ít tiêu hao năng lượng, giảm thiểu ô nhiểm và gìn giữ môi sinh. Lượng tử và nano cũng là bàn tay êm dịu của người hiền mẫu. Chúng là cột sống của những áp dụng y khoa hiện đại càng lúc càng đem đến nhiều thành quả bất ngờ trong việc định vị, kết hợp, cảm ứng với phân tử sinh học, tải thuốc, phát hiện tế bào ung thư cho việc trị liệu và phẫu thuật. Khi những công trình nghiên cứu thuần lý của cơ học lượng tử được kết hợp với cứu cánh thực dụng của nền công nghệ nano, nhiều ý tưởng mới sẽ nảy sinh, nâng cao lý luận vật lý vượt ra ngoài phạm vi hiện có, cũng như tạo ra nhiều cơ hội cho các nghiên cứu đa ngành để hình thành các loại vật liệu mới với những ứng dụng siêu việt cho cuộc sống đời thường. Có thể khẳng định rằng những điều này sẽ không xảy ra nếu không có hằng số Planck; một hằng số khiêm tốn có một trị số rất nhỏ nhưng ảnh hưởng thật là vĩ đại. Nó mang tính phổ quát bao trùm vũ trụ, ngự trị thế giới của vật chất cực nhỏ đến thế giới của vô số các thiên hà bao la, làm thay đổi sự hiểu biết về vũ trụ, và tiếp tục phong phú hóa cuộc sống con người trên quả địa cầu nhỏ bé này. Trương Văn Tân Tháng 8, 2008 Cuối Đông Nam bán cầu Phụ lục: Bài toán chấm lượng tử và giếng lượng tử của phương trình sóng Schrödinger Chi tiết về phương trình sóng Schrödinger có thể tìm thấy ở các sách giáo khoa hóa lý của năm thứ nhất đại học. Ở đây, lời giải về các bậc năng lượng của giếng lượng tử sẽ được trình bày. Phương trình sóng Schrödinger là một phương trình vi phân, cho trường hợp một thứ nguyên x, được viết như sau, (-h2/8p2m)(d2y/dx2) = Ey (1) h là hằng số Plack (6,626 x 10-34 J.s), m là khối lượng điện tử, E là các bậc năng lượng điện tử, y là hàm số sóng. Lời giải của phương trình (1) cho giếng hay chấm lượng tử có đường kính a là, Hình P1: Các bậc năng lượng điện tử của chấm lượng tử hay giếng lượng tử có đường kính a. y = A sin(npx/a) n= 1, 2, 3, …. (2) A là một hằng số, n là số thứ tự của các bậc năng lượng (Hình P1) Thay công thức (2) vào (1), ta có E = n2h2/8ma2 n= 1, 2, 3, …. (3) Khi n= 1 ta có E1 = Equantum = h2/8ma2 (4) Độ sai biệt năng lượng giữa bậc n =1 và n = 2 là E2 - E1 = 3h2/8ma2 (5) Kết quả trên cho ta thấy hằng số Planck, h, chi phối trị số năng lượng và sai biệt giữa các mực năng lượng (công thức 4 và 5). Vì hằng số Planck rất nhỏ, theo công thức trên đối với những vật có ở kích thước vĩ mô, trung mô (m, cm, mm, µm), các trị số này gần như zero. Vì vậy, dải năng lượng cho ta cảm giác gần như liên tục. Tuy nhiên, khi a ở thứ nguyên nanomét như trong trường hợp giếng lượng tử hay chấm lượng tử độ sai biệt giữa các bậc năng lượng tăng lên đáng kể và không thể xem như là zero nữa. Các bậc năng lượng trở nên rời rạc, ta gọi đây là sự lượng tử hóa năng lượng. Tài liệu tham khảo và chú thích Để một điện tử di chuyển trong điện áp 1 volt, ta cần năng lượng 1 electron-volt (eV) (E = 1 eV = 1,602 x 10-19 J). Vận tốc v được tính từ E = 1/2 (mv2), v= 5,93 x 105 m/s. Khối lượng m của electron là 9,1 x 10-28 g. Từ công thức de Broglie, l = h/mv, l = 1,2 x 10-9 m. Một cú vớt sẽ làm trái banh golf (khối lượng m = 45 g) bay với vận tốc 30 m/s. Dùng công thức de Broglie, bước sóng của trái banh golf là 4,9 x 10-34 m. Đây là con số cực kỳ nhỏ và vô nghĩa. Matthieu Ricards and Trinh Xuan Thuan, "The quantum and the lotus", Three Rivers Press, New York, 2001. M. Arndt, K. Hornberger and A. Zeilinger, Physics World, March 2005, pp.35. J. Park, J. Joo, S.G. Kwon, Y. Jang and T. Hyeon, Angnew. Chem. Int. Ed., 46 (2007) 4630. M.B. Cortie, Gold Bulletin, 37 (2004) 1. K.S. Suslick, M. Fang, T. Hyeon, J. Am. Chem. Soc., 118 (1996) 11960. W. Eberhart, Surface Science, 500 (2002) 242. Trương Văn Tân, "Vật liệu tiên tiến: từ polymer dẫn điện đến ống than nano", nxb Trẻ, TP HCM, 2008. B.O. Dabbousi, J. Rodriguez – Viejo, F.V. Mikulec, J.R. Heine, H. Mattoussi, R. Ober, K.F. Jensen and M.G. Bawendi, J. Phys. Chem. B, 101 (1997) 9463. Photonics Spectra, June 2008, pp.98. H.S. Jang, H. Yang, S.W. Kim, J.Y. Han, S.G. Lee and D.Y. Jeon, Adv. Mater, 20 (2008) 2696. M.-C. Daniel and D. Astruc, Chem. Rev., 104 (2004) 293. S.J. Odenburg, J.B. Jacson, S.L. Westcott and N.J. Halas, Appl. Phys. Lett., 75 (1999) 2897. J. Zheng, C. Zhang, R.M. Dickson, Phys. Rev. Lett., 93 (2004) 077402-1. S.D. Gunapala et al, Infrared Phys. & Tech., 42 (2001) 267. J. Jiang et al, Appl. Phys.Lett., 84 (2004) 2166. K.K. Choi, "The physics of quantum well infrared photodetectors", World Scientific, London, 1997. H. Schneider and H.C. Liu, "Quantum well infrared photodetectors", Springer, Berlin New York, 2007. R.J. Ellingson, M.C. Beard, J.C. Johnson, P. Yu, O.I. Micic, A.J. Nozik, A. Shabaev and A.L. Efros, Nano Lett., 5 (2005) 865. Nguyễn Xuân Xanh, "Einstein", Chương 7, nxb Tổng hợp TP HCM, 2007.
|
|
|
Post by vietnam on May 22, 2009 11:33:14 GMT -5
Dấu ấn của thuyết lượng tử Nguyễn Quang Riệu Cập nhật : 22/01/2009 00:55 Vũ trụ là một phòng thí nghiệm đa dạng cung cấp cho các nhà khoa học những số liệu liên quan đến nhiều hiện tượng lý-hóa, từ mức vĩ mô đến mức vi mô. Dấu ấn của thuyết lượng tử trong nghiên cứu vũ trụ Nguyễn Quang Riệu Những bức xạ trong vũ trụ Vũ trụ là một phòng thí nghiệm đa dạng cung cấp cho các nhà khoa học những số liệu liên quan đến nhiều hiện tượng lý-hóa, từ mức vĩ mô đến mức vi mô. Lực hấp dẫn phổ biến của Newton chi phối sự chuyển động của các thiên thể và quá trình tiến hoá của vũ trụ trên quy mô lớn. Thuyết Big Bang - tuy vẫn còn phải được cải tiến nhưng được đa số các nhà thiên văn chấp nhận - và những công trình về sự tổng hợp những nguyên tố trong vũ trụ nguyên thủy và trong những ngôi sao đều là cơ sở để giải thích những hiện tượng thiên văn quan sát thấy hiện nay. Những công trình của Max Planck và của Albert Einstein đã mở đường cho sự nghiên cứu những bức xạ vũ trụ. Về mặt kỹ thuật, kính thiên văn quang học và kính thiên văn vô tuyến ngày càng lớn, có độ phân giải cao, cùng những thiết bị thu tín hiệu chế tạo ra từ những vật liệu bán dẫn và siêu dẫn, cũng làm cho ngành thiên văn phát triển rất nhiều trong những thập niên gần đây. Các nhà thiên văn xử lý số liệu và áp dụng những định luật lý-hóa để lập ra những mô hình lý thuyết nhằm tìm hiểu cơ chế phát những bức xạ và mô tả những hiện tượng quan sát trong vũ trụ. Bức xạ điện từ lan truyền trong không gian như những làn sóng trải dài từ những bước sóng cực ngắn của tia gamma, tia X và tia tử ngoại đến bước sóng khả kiến và những bước sóng cực dài hồng ngoại và vô tuyến. Vì bức xạ có tính chất lưỡng tính sóng-hạt nên các nhà vật lý dùng khái niệm sóng để mô tả hiện tượng giao thoa trong quang học và khái niệm hạt để giải thích hiệu ứng quang điện hay quá trình hấp thụ và phát bức xạ. Trong vũ trụ có vô số thiên hà, mỗi thiên hà là một tập hợp khí và bụi cùng với những ngôi sao và hành tinh. Những thiên thể đặc có độ dày quang học (optical depth) lớn, như những ngôi sao, những hành tinh và những đám mây chứa nhiều khí và bụi đều tuân theo định luật của vật đen và phát ra bức xạ nhiệt. Tinh vân là những đám khí bị ion hoá (plasma) trong đó có electron chuyển động tự do. Khi electron trong tinh vân va chạm và tương tác với những hạt ion cũng phát ra bức xạ nhiệt. Các nhà thiên văn quan sát bức xạ nhiệt để đo nhiệt độ của các thiên thể. Tàn dư của những ngôi sao đã nổ (sao siêu mới) là những đám khí tương đối loãng trong đó electron được gia tốc trong từ trường và chuyển động theo những đường lực với tốc độ cao xấp xỉ bằng tốc độ ánh sáng. Loại thiên thể này phát ra bức xạ phi-nhiệt mạnh hơn bức xạ nhiệt rất nhiều. Bức xạ phi-nhiệt trong vũ trụ giống những bức xạ quan sát trong những máy gia tốc “synchrotron”. Quan sát bức xạ phi-nhiệt là để tìm hiểu cơ chế gia tốc các hạt vật chất trong các thiên thể và để ước tính từ trường và năng lượng của electron. Thiên thể trong vũ trụ phát ra bức xạ nhiệt và bức xạ phi-nhiệt trên những dải tần số rộng. Vật đen là một vật lý tưởng có khả năng hấp thụ hoàn toàn các năng lượng điện từ. Khi được nung nóng, vật đen phát ra bức xạ nhiệt. Khoảng trống đen kịt và kín mít bên trong cái lò than có thể được coi là một vật đen. Bức xạ phông vũ trụ, tàn dư của Big Bang, phát ra trên bước sóng vi ba (sóng vô tuyến) và hiện tràn ngập toàn bộ vũ trụ, cũng là bức xạ vật đen. Planck là nhà vật lý đã đưa ra ý kiến độc đáo để lượng tử hóa năng lượng của vật chất nhằm giải quyết mâu thuẫn giữa kết quả lý thuyết và kết quả quan sát liên quan đến vấn đề năng lượng của vật đen. Einstein khái quát hoá giả thuyết của Planck để lượng tử hoá bức xạ với mục đích giải thích cơ chế phát những vạch phổ nguyên tử và phân tử. Công trình của Einstein đã dẫn đến sự phát hiện bức xạ cảm ứng (stimulated emission) và sự phát minh những máy maser và laser phát ra những tia xạ có cường độ lớn dùng trong công nghiệp trên bước sóng vi ba và quang học. Thảm hoạ Rayleigh-Jeans Cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 đã đem lại một kỷ nguyên mới cho ngành vật lý. Các nhà vật lý ở thế kỷ 19 dùng lý thuyết nhiệt động học và vật lý thống kê cùng với giả thuyết năng lượng được phân bố đều giữa các hướng chuyển động tự do trong không gian (degree of freedom) để xác định phổ của bức xạ vật đen ở trạng thái cân bằng nhiệt (trạng thái nhiệt độ đồng đều và không thay đổi). Dựa trên những lý thuyết cổ điển này, Lord John William Rayleigh và James Jeans tìm thấy một công thức rất đơn giản để tính cường độ của bức xạ vật đen. Theo công thức Rayleigh-Jeans, độ sáng của vật đen không tùy thuộc vào bản chất của vật thể, nhưng có điều kỳ lạ là ở bất cứ nhiệt độ T nào, độ sáng Bn cũng tăng rất nhanh với tần số n theo luật bình phương (Bn = 2kTn2/c2, k là hằng số Boltzmann và c là tốc độ ánh sáng). Có nghĩa là một vật đen như cái lò dùng để nung nấu phải phát ra những bức xạ rất mạnh ở những tần số cao, đặc biệt trên vùng sóng tử ngoại và sóng X. Như ta biết, trên thực tế lò này không phát ra tia tử ngoại và tia X độc hại và không gây ra thảm hoạ cho người dùng. Theo công thức Rayleigh-Jeans, toàn bộ năng lượng của vật đen (tức là tích phân của hàm Bn theo tần số) cũng là vô tận! Phương pháp tính cường độ của bức xạ vật đen bằng những lý luận của ngành vật lý cổ điển đã dẫn đến những kết quả tỏ ra là không hợp lý. Công thức Rayleigh-Jeans đã gây ra chấn động làm một số nhà khoa học ở đầu thế kỷ 20 phải gọi đó là “thảm hoạ tử ngoại” hay “thảm hoạ Rayleigh-Jeans”. Nhiều nhà vật lý nổi tiếng hồi đó như Josef Stefan, Ludwig Boltzmann và Wilhelm Wien tìm cách giải quyết mâu thuẫn giữa lý thuyết và thực nghiệm liên quan đến vấn đề bức xạ vật đen. Vào đầu thế kỷ 20, tuy Max Planck chưa biết nguyên nhân sâu sắc của vấn đề này trên phương diện vật lý, nhưng muốn tìm ra một công thức toán học có khả năng tính được những đường cong để khớp với đường cong của phổ vật đen mà các nhà vật lý đã quan sát được từ trước bằng phương pháp thực nghiệm. Sau khi đã tìm thấy những đường cong của vật đen bằng công thức toán học, Max Planck nảy ra ý kiến cho rằng năng lượng của những hạt dao động, như những electron trong nguyên tử, không chỉ đơn giản tỷ lệ với nhiệt độ mà phải bị lượng tử hoá. Năng lượng E của hạt biến đổi theo từng mức lượng tử hn (h là hằng số Planck, và n là tần số của bức xạ). Xác suất P(E) để có năng lượng E phải tỷ lệ với exp(-E/kT). Độ sáng của vật đen tính theo lý thuyết lượng tử là: Bn = (2hn3/c2)/[exp (hn/kT) – 1)]. Công thức này mang tên công thức Planck cho thấy, dù ở tần số cao đến đâu thì mẫu số vẫn tăng rất nhanh so với tử số, làm hàm Bn phải giảm xuống ở vùng tần số cao nên tránh được thảm hoạ tử ngoại. Ở miền tần số thấp như miền sóng vi ba (sóng vô tuyến xentimet và những bước sóng dài hơn) hn/kT rất nhỏ nên công thức Planck và công thức Rayleigh-Jeans đều dẫn đến những kết quả tương tự như nhau. Công thức Planck cho thấy nhiệt độ của vật đen càng cao thì vật đen càng sáng. Theo công thức Wien, cực đại của bức xạ xảy ra ở tần số nmax ~ 3kT/h, làm cho đỉnh của những đường cong Planck dịch chuyển về phía tần số cao khi nhiệt độ tăng lên. Tuy những ngôi sao đều có khí quyển bao bọc xung quanh nhưng vẫn được coi là những vật đen trên một mức độ nào đó. Các nhà thiên văn dùng định luật Planck và định luật Wien và dựa trên độ sáng và màu của những ngôi sao để sắp xếp sao thành từng loại. Ngôi sao nào nóng thì sáng và có màu xanh lam, còn những ngôi sao nguội hơn lại mờ hơn và có màu đỏ (tần số thấp hơn tần số màu xanh). Bề mặt mặt trời nóng khoảng 6000 độ Kelvin nên Mặt trời là một ngôi sao màu vàng. Bức xạ phông vũ trụ tàn dư của Big Bang Vũ trụ nguyên thủy là một môi trường plasma rất nóng trong đó photon (hạt ánh sáng) va chạm liên tục với electron nên không di chuyển được dễ dàng. Trong 400 000 năm đầu sau khi vũ trụ được khai sinh từ Big Bang, hiện tượng tán xạ này làm vũ trụ mờ đục và phát ra bức xạ nhiệt. Phổ của bức xạ vũ trụ là phổ của một vật đen. Sau khi nhiệt độ giảm xuống chỉ còn khoảng 3000 Kelvin, electron tái hợp được với proton để tạo ra hydro trung hoà. Khi đó trong vũ trụ không còn nhiều electron nên photon di chuyển tự do và vũ trụ trở nên trong sáng. Vật chất không còn có tác động đối với photon, nên bức xạ vũ trụ vẫn giữ được đặc tính của một vật đen. Vũ trụ tiếp tục dãn nở không ngừng, nhưng phổ bức xạ phông vũ trụ vẫn được mô tả bằng định luật Planck, tuy ở nhiệt độ ngày càng thấp. Phổ của bức xạ phông vũ trụ hiện nay rất khớp với đường cong Planck của một vật đen ở nhiệt độ 2,726 Kelvin. Bức xạ phông phát ra mạnh nhất trên bước sóng vô tuyến ~ 1,9 milimet (tần số ~ 160 Gigahertz). Sự phát hiện ra bức xạ phông vũ trụ không những là một bằng chứng củng cố thuyết Big Bang mà còn giúp các nhà thiên văn nghiên cứu cấu trúc của vũ trụ trên quy mô rộng. Khi quan sát về hướng những chùm thiên hà, họ nhận thấy đường cong Planck biểu diễn phổ của bức xạ phông vũ trụ có chút ít sai trệch so với đường cong của vật đen ở nhiệt độ 2,726 Kelvin. Lý do là vì môi trường giữa những thiên hà trong những chùm thiên hà có khí bị ion hoá và nóng tới hàng trăm triệu độ nên electron có năng lượng cao và phát ra bức xạ X. Trong quá trình va chạm với photon, electron năng lượng cao chuyển năng lượng cho photon (biệt ngữ vật lý là “hiệu ứng Compton ngược”). Electron của chùm thiên hà tương tác với photon của bức xạ phông vũ trụ qua hiệu ứng Compton ngược và làm tăng năng lượng photon của bức xạ phông. Do đó, ở hướng những chùm thiên hà, đường cong của phổ bức xạ phông vũ trụ thay đổi chút ít. Hiện tượng này được tiên đoán bởi hai nhà vật lý Sunyaev (Ouzbekistan) và Zeldovich (Nga) nên gọi là “hiệu ứng Sunyaev-Zeldovich” (viết tắt là “hiệu ứng SZ”). Sự quan sát hiệu ứng SZ là một trong những phương tiện để phát hiện những chùm thiên hà xa xôi và để xác định hằng số Hubble, dẫn đến sự ước tính tuổi của vũ trụ. Kính thiên văn dùng để quan sát hiệu ứng SZ và để phát hiện bức xạ yếu ớt của những chùm thiên hà cần có độ phân giải cao. Sự tương tác giữa bức xạ và vật chất Theo quan niệm của Planck, vật chất bị lượng tử hoá và được coi như những hạt dao động điều hoà (harmonic oscillator) để phát ra bức xạ. Năng lượng của hạt được lượng tử hoá trên những mức cách nhau đều. Bohr nhận định là những mức năng lượng của những hệ nguyên tử không nhất thiết phải cách nhau đều. Sau này các nhà vật lý xác định là khoảng cách của những mức năng lượng của phân tử cũng không được phân bố đều trên thang năng lượng. Einstein không những dựa trên giả thuyết vật chất bị lượng tử hoá của Planck, mà còn cho rằng bức xạ cũng là những hạt lượng tử có năng lượng hn. Công trình của Einstein lượng tử hoá bức xạ đã mở đường cho công việc nghiên cứu quá trình tương tác giữa bức xạ và vật chất như được trình bầy sau đây. Những tinh vân trong vũ trụ là những đám khí trong đó nguyên tử thay đổi năng lượng để phát ra bức xạ. Khi đám khí ở trạng thái cân bằng nhiệt, nguyên tử được phân bố trên thang năng lượng theo định luật Boltzmann. Ở những mức năng lượng E càng cao thì “dân số” (nguyên tử) n càng thưa thớt theo luật hàm mũ: n ~ exp (-E/kT). Theo Einstein, khi một bức xạ có tần số thích hợp chiếu vào nguyên tử thì nguyên tử hấp thụ photon của bức xạ để nhảy từ mức năng lượng thấp l lên mức năng lượng cao m. Cường độ của bức xạ càng mạnh thì xác suất của hiện tượng hấp thụ càng cao và tỷ lệ với một hằng số gọi là Blm. Ngược lại, nguyên tử phát ra photon khi chuyển từ mức năng lượng cao m xuống mức năng lượng thấp l. Trong trường hợp này, Einstein đề xuất hai cơ chế phát bức xạ khác nhau. Cơ chế thứ nhất là nguyên tử có khả năng chuyển hoàn toàn ngẫu nhiên từ mức năng lượng cao m xuống mức năng lượng thấp l với xác suất Aml mà không cần có một nguồn bức xạ nào chiếu vào. Qua quá trình này, nguyên tử phát ra “bức xạ tự phát” (spontaneous emission). Cơ chế thứ hai là nếu có một bức xạ có tần số n thích ứng với hiệu số năng lượng ở mức m và l, (Em – El = hn), chiếu vào thì đám khí nguyên tử phát ra “bức xạ cảm ứng” (stimulated emission). Suất photon phát ra tỷ lệ với cường độ của bức xạ theo hệ số Bml tương ứng với hai mức m và l. Bức xạ tự phát và bức xạ cảm ứng phát ra dưới dạng những vạch phổ có tần số tương ứng với sự chuyển mức giữa mức m và mức l. Những hệ số Aml , Blm, và Bml , gọi là hệ số Einstein, không phải là những hằng số phổ biến mà lại tùy thuộc vào những mức năng lượng l , m và vào đặc điểm của từng nguyên tử. Trong một đám khí nguyên tử ở trạng thái cân bằng nhiệt, suất nguyên tử chuyển lên mức trên phải bằng suất nguyên tử chuyển xuống mức dưới. Einstein dựa trên giả thuyết này và đồng thời áp dụng công thức Planck để tìm thấy những hệ thức giữa những hệ số Aml , Blm, và Bml . Muốn tính được giá trị của những hệ số Einstein tương ứng với từng vạch phổ, các nhà vật lý phải dùng thêm cả những định luật của vật lý nguyên tử. Những hệ số Einstein được dùng trong phương trình cân bằng thống kê để tính phổ của những bức xạ nguyên tử và phân tử. Trong vũ trụ những đám khí trong tinh vân thường ở trạng thái cân bằng nhiệt. Các nhà thiên văn quan sát những vạch phổ nguyên tử và phân tử để xác định điều kiện lý-hóa trong những thiên thể, như nhiệt độ và mật độ. Hydro trung hoà là nguyên tố phổ biến nhất trong vũ trụ. Nguyên tử hydro phát ra một vạch phổ trên bước sóng vô tuyến 21 xentimet. Xác suất tự phát Aml của nguyên tử hydro rất thấp (Aml ~ 3.10-15/giây) nên nguyên tử tồn tại trên mức năng lượng cao m trong một thời gian tml dài tới 11 triệu năm (tml ~ 1/Aml). Có nghĩa là cứ 11 triệu năm mới có một photon vô tuyến của nguyên tử hydro tự nhiên phát ra trên bước sóng 21 xentimet ! Nhờ có sự va chạm với electron làm nguyên tử chuyển mức năng lượng nhanh hơn, nên chu kỳ phát photon rút cục giảm xuống 400 năm, tuy vẫn còn dài. Tuy nhiên bức xạ 21 xentimet của nguyên tử trung hoà hydro vẫn là bức xạ mạnh nhất trong vũ trụ, bởi vì hydro là thành phần vật chất phổ biến nhất, có mật độ cao nhất. Vạch phổ 21 xentimet của hydro đã được dùng để phát hiện cấu trúc xoắn ốc của Ngân hà và để quan sát những thiên hà xa xôi.
|
|
|
Post by vietnam on May 22, 2009 11:34:30 GMT -5
Những tia laser và maser trong vũ trụ Cơ chế phát bức xạ cảm ứng mà Einstein đề xuất đã dẫn đến những áp dụng để sản xuất những máy laser và maser trong công nghiệp. Công trình của Einstein cũng tỏ ra rất cần thiết trong công việc nghiên cứu hiện tượng laser và maser trong vũ trụ. Như đã trình bầy trong chương trước, thông thường những đám khí tồn tại ở trạng thái “cân bằng nhiệt” trong đó nguyên tử đọng ở những mức năng lượng thấp theo định luật Boltzmann. Tuy nhiên đám khí có thể chuyển sang trạng thái “không cân bằng nhiệt” nếu có một cơ chế “bơm” nguyên tử lên những mức năng lượng cao. Khi đó sự phân bố nguyên tử không còn tuân theo định luật Boltzmann. Thậm chí sau khi được bơm, dân số nguyên tử ở những mức năng lượng cao có khả năng vượt hơn hẳn dân số nguyên tử ở̉ những mức năng lượng thấp. Hiện tượng “đảo ngược dân số” tạo ra tình trạng có rất nhiều nguyên tử tập trung ở những mức năng lượng cao, chẳng hạn ở mức m. Khi một bức xạ có tần số n = (Em – El)/h chiếu vào thì không còn nhiều nguyên tử ở mức năng lượng thấp l để hấp thụ bức xạ. Trái lại, bức xạ khởi động một quá trình tương tự như một loại “phản ứng dây chuyền”, làm những nguyên tử tập trung ở mức năng lượng cao m đột nhiên đổ xô xuống mức năng lượng dưới l và thi nhau phát bức xạ. Quá trình này tạo ra một tia laser rất mạnh. Các nhà vật lý sử dụng nhiều “thủ thuật” để bơm dân số nguyên tử lên những mức năng lượng cao. Chẳng hạn họ dùng một tia ánh sáng để bơm nguyên tử lên những mức năng lượng rất cao. Từ đây nguyên tử dần dần tự rơi xuống những mức năng lượng dưới qua cơ chế tự phát bức xạ và tạm đọng lại ở một mức năng lượng m nào đó, gọi là mức nửa bền vững (metastable state). Khi đó chỉ cần một bức xạ có tần số thích hợp chiếu vào là nguyên tử đổ xuống một mức năng lượng thấp hơn và tạo ra bức xạ laser. Laser (Light amplification by stimulated emission of radiation) phát ra những tia xạ trên lĩnh vực sóng khả kiến, tử ngoại (ultraviolet) và hồng ngoại (infrared). Còn maser (Microwave amplification by stimulated emission of radiation) hoạt động theo nguyên tắc của laser nhưng trên miền sóng vi ba (vô tuyến). Các nhà thiên văn phát hiện là trong vũ trụ cũng có những đám khí phát bức xạ maser. Maser thiên nhiên xuất phát từ những phân tử trong những tinh vân của dải Ngân hà. Tinh vân là những đám khí nguyên tử và phân tử có cả bụi và những ngôi sao sáng trưng. Phân tử là một tập hợp nguyên tử trong đó những nguyên tử có thể coi là gắn với nhau bằng những lò xo vô hình. Khi phân tử dao động hoặc quay xung quanh những trục của phân tử thì phát ra những bức xạ trên bước sóng hồng ngoại và vô tuyến. Phân tử trong tinh vân được bơm lên những mức năng lượng cao bởi photon của những ngôi sao và của bụi để phát ra bức xạ maser. Vào thập niên 1960, các nhà thiên văn của Đại học Berkeley quan sát được trên bước sóng 18 xentimet một bức xạ phát ra từ hướng Tinh vân Lạp Hộ (Orion Nebula). Vạch phổ của bức xạ rất hẹp nhưng lại cực kỳ sáng làm các nhà thiên văn ngạc nhiên đến nỗi họ phải cho đó là bức xạ của một chất “Huyền bí” (Mysterium) nào đó! Sau những tính toán cơ học lượng tử và những kết quả đo đạc quang phổ, họ kết luận là vạch bức xạ “Huyền bí” thực sự chính là một vạch phổ maser của phân tử “hydroxyl” OH quen thuộc. Ngoài phân tử OH còn có phân tử nước H2O và phân tử “silicon monoxide” SiO cũng phát ra những bức xạ maser vô tuyến rất mạnh. Sau này các nhà thiên văn còn phát hiện được trong những thiên hà xa xôi những bức xạ maser OH và H2O mạnh gấp hàng nghìn tới hàng triệu lần những maser quan sát được từ trước trong dải Ngân hà (xem Hình). Cường độ của những bức xạ maser vũ trụ tăng theo hàm mũ với kích thước của đám khí phân tử. Những đám khí trong vũ trụ lớn hàng trăm triệu kilomet, tương đương với kích thước của hệ mặt trời nên phát ra bức xạ maser rất mạnh. Trong vũ trụ, một bức xạ vô tuyến sau khi truyền qua đám khí maser có khả năng được khuếch đại đến hàng tỷ lần. Những laser và maser nhân tạo đương nhiên là có kích thước khiêm tốn hơn nhiều. Để tăng cường hiệu suất của quá trình bơm laser nhân tạo, một hệ thống gương được dùng để phản chiếu bức xạ cảm ứng nhằm kích thích liên tục laser. Muốn nghiên cứu hiện tượng maser trong vũ trụ, các nhà thiên văn phải lập ra những mô hình lý thuyết để giải phương trình truyền bức xạ trong đám khí phân tử, kết hợp với phương trình cân bằng thống kê trong đó xuất hiện những hệ số Einstein. Hình 1 Hình 1: Thiên hà Messier 82 có hình dạng một điếu xì gà ở cách trái đất 12 triệu năm ánh sáng trong chòm sao Đại Hùng. Trung tâm thiên hà Messier 82 là một môi trường rất xáo động, phun ra nhiều khí và bụi. Đây cũng là nơi mà sự sản sinh ra hàng nghìn ngôi sao có khả năng bùng lên từng đợt (Hình NASA-ESA). Hình 2: Một bức xạ maser của phân tử hydroxyl OH (thể hiện bằng vạch phổ rất hẹp có đỉnh cao nhìn thấy ở phía bên trái trong phổ) được phát hiện trên bước sóng 18 xentimet (tần số 1667 Megahertz) ở vùng trung tâm thiên hà Messier 82 {Nguyen Quang Rieu (Observatoire de Paris-Meudon), Ulrich Mebold và Anders Winnberg (Max Planck Institut, Bonn), Jean Guibert (Observatoire de Paris-Meudon) và Roy Booth (University of Manchester) công bố trong tạp chí Astronomy and Astrophysics, vol. 52, p. 467, 1976}. Hình 2 Bức xạ maser trong thiên hà Messier 82 là một trong hai bức xạ maser rất mạnh được phát hiện đầu tiên ở hẳn bên ngoài dải Ngân hà. Kính thiên văn vô tuyến lớn 100 met của viện “Max Planck Institut für Radioastronomie, Bonn” đã được dùng để phát hiện ra bức xạ maser này. Miền phổ rất rộng trũng xuống (phía bên phải trong phổ) được tạo ra bởi những đám khí hydroxyl trong thiên hà, nhưng vì những đám khí này không phải là maser nên không phát mà lại hấp thụ bức xạ (cường độ âm). Trục tung biểu diễ̃n cường độ của bức xạ và trục hoành biểu diễn tốc độ của những đám khí trong thiên hà. Trong những năm gần đây, tia laser còn được chiếu lên bầu trời để tạo ra những ngôi sao nhân tạo. Các nhà thiên văn quan sát ngôi sao laser như một ngôi sao chuẩn để điều chỉnh liên tục kính thiên văn nhằm loại trừ sự hỗn loạn của khí quyển có khả năng làm nhiễu hình của thiên thể. Tia laser kích thích những nguyên tử natri trong khí quyển và tạo ra một điểm sáng màu vàng trông như một ngôi sao. Các nhà thiên văn chỉ cần “bật” ngôi sao laser mỗi khi họ cần dùng ở bất cứ thời điểm nào và ở vị trí nào trên bầu trời để điều chỉnh thiết bị trong khi họ quan sát các thiên thể. Những kính thiên văn cỡ lớn sẽ được trang bị bằng thiết bị hiện đại này, hiện nay được coi là thiết bị cần thiết để chụp được hình của những thiên thể với độ sắc nét cao. Tôn vinh các nhà khoa học Khí quyển trái đất chỉ để bức xạ khả kiến (ánh sáng), hồng ngoại gần và vô tuyến đột nhập từ vũ trụ vào bề mặt trái đất. Còn những bức xạ khác trong phổ điện từ như bức xạ gamma, bức xạ X, bức xạ tử ngoại và hồng ngoại xa đều bị khí quyển trái đất hấp thụ. Muốn quan sát những miền sóng bị hấp thụ, các nhà thiên văn phải phóng kính thiên văn ra ngoài tầng khí quyển trái đất. Họ thường lấy tên các nhà bác học nổi tiếng để đặt cho các vệ tinh phóng kính thiên văn lên không gian. Tên của Einstein đã được đặt cho vệ tinh nhân tạo phóng năm 1978 để quan sát vũ trụ trên miền sóng X. Kính của vệ tinh Einstein được dùng để nghiên cứu những thiên thể phát ra những bức xạ có năng lượng cao, như pulsar và tàn dư của những vụ sao nổ cùng những chùm thiên hà. Một vệ tinh khác cũng hoạt động trên bước sóng X được phóng năm 1999 và được đặt tên là Chandra để tôn vinh nhà thiên văn vật lý Chandrasekhar (Ấn độ), người đã đề xuất lý thuyết giải thích quá trình hình thành những thiên thể siêu đặc như sao lùn trắng, sao neutron và lỗ đen. Trong số những kết quả đáng ghi nhớ mà vệ tinh Chandra đã đạt được, phải kể sự phát hiện một lỗ đen khổng lồ nặng gấp 2,5 triệu lần mặt trời và nằm ngay trong trung tâm Ngân hà. Cơ quan Không gian Vũ trụ Châu Âu (European Space Agency) chuẩn bị phóng một vệ tinh đặt tên là Planck để quan sát bức xạ phông vũ trụ. Năm 1989, vệ tinh COBE đã phát hiện là bức xạ phông vũ trụ không đồng đều và phổ bức xạ là phổ một vật đen. Biên độ thăng giáng nhiệt độ, tuy cực kỳ nhỏ, nhưng thể hiện một vũ trụ nguyên thủy lổn nhổn vật chất, mầm mống của những thiên hà quan sát thấy ngày nay. Planck là vệ tinh thế hệ thứ ba, sau COBE và WMAP, có độ nhạy chưa từng đạt được từ trước tới nay. Vệ tinh Planck nhạy bằng khoảng một nghìn lần vệ tinh COBE và phổ kế trên vệ tinh Planck phủ một miền sóng rất rộng, từ sóng hồng ngoại tới sóng vô tuyến. Mục tiêu chính của vệ tinh Planck là quan sát chi tiết bức xạ của vũ trụ nguyên thủy để cung cấp những số liệu cần thiết cho những mô hình lý thuyết mô tả quá trình tiến hoá của vũ trụ. Hiện nay tại nước Đức đã có hàng chục viện nghiên cứu khoa học cũng mang tên nhà bác học Max Planck. Nguyễn Quang Riệu Thư mục M. Elitzur : Astronomical Masers (Kluwer Academic Publishers1992) R.P. Feynman, R.B. Leighton, M. Sands: The Feynman Lectures on Physics (California Institute of Technology, Addison-Wesley Publishing Company, 1977). Kenneth R. Lang: Astrophysical Formulae (Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York, 1980) Nguyen Quang Rieu: Circumstellar Radio Molecular lines (The M-Type Stars; Monograph Series on Nonthermal Phenomena in Stellar Atmospheres, CNRS – NASA, p. 209, 1986) C.H. Townes, A.L. Schawlow: Microwave Spectroscopy (McGraw-Hill Book Company, 1955)
|
|