Đột phá khoa học vật liệu thách thức cách hiểu về phát xạ quang

Chính xác thì ánh sáng là gì – và được tạo ra từ cái gì? Đó là câu hỏi đã có từ thời thượng cổ và là một trong những chủ đề quan trọng bậc nhất của các nhà khoa học trong quá trình tìm hiểu về bản chất của thực tại.

Câu hỏi ánh sáng bao gồm những gì – một hình thức của năng lượng vì nó giúp kiểm tra các vật thể, cho phép chúng ta thấy được thế giới – đã dẫn đến những cuộc tranh cãi và thảo luận trong cộng đồng khoa học, thúc đẩy sự ra đời của một lĩnh vực hoàn toàn mới: cơ học lượng tử.

Điều cơ bản của cuộc tranh luận về bản chất của ánh sáng là một bí ẩn khác. Đó là ánh sáng có hành xử như sóng hay là như hạt? Khi Albert Einstein vào đầu thế kỷ 20 đề xuất ánh sáng là cả hạt trong tự nhiên (bao gồm các hạt nhỏ mà người ta gọi là photon) và như sóng, nhiều người cảm thấy thú vị nhưng cũng không cảm thấy dễ chấp nhận về phát hiện của ông.

Einstein chứng minh lý thuyết mới của mình thông qua công trình mà ông gọi là hiệu ứng quang điện, lý do để ông được trao giải Nobel Vật lý vào năm 1921. Phát hiện đầu tiên do Heinrich Rudolf Hertz tìm ra vào năm 1887, hiệu ứng quang điện miêu tả quá trình mà ánh sáng do các hạt electron bắn ra từ một vật liệu khi được chiếu một nguồn sáng vào.

Hiện tại, một thực nghiệm đã được các nhà khoa học triển khai bằng việc sử dụng các đặc trưng hóa học và điện tử của vật liệu, phát xạ quang đã đem đến nhiều ứng dụng thực tế trong nhiều công nghệ, cụ thể là những ứng dụng phụ thuộc vào việc dò ánh sáng hoặc các máy phát chùm tia điện tử như các thiết bị hình ảnh y khoa và ngành sản xuất bán dẫn…

Nhưng các nhà nghiên cứu ở Northeastern đã có một khám phá thách thức những gì chúng ta biết về phát xạ quang, đặt nền tảng cho một hiểu biết mới về cách ánh sáng tương tác với vật liệu.

Trong một bài báo xuất bản trên Nature mới đây, các nhà nghiên cứu đã quan sát những gì được họ miêu tả là “các đặc trưng phát xạ quang bất thường” của một vật liệu hạt, strontium titanate – một ô xít của một cặp nguyên tố hóa học phổ biến hơn một nửa thế kỷ qua, chủ yếu để mô phỏng kim cương.

Trong thực nghiệm này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng strontium titanate như một cực âm photon, hoặc một bề mặt có thể chuyển đổi ánh sáng thành các electron thông qua hiệu ứng quang điện.

Các cực âm photon được sử dụng trong các máy dò photon hoặc các thiết bị có sensor, như các đèn nhân quang điện; chúng cũng được sử dụng trong các camera hồng ngoại, các bộ tăng cường hình ảnh – và các thiết bị chuyển đổi hình ảnh.

Trước đây, strontium titanate từng được coi là ứng cử viên sáng giá cho cực âm photon, theo Arun Bansil, giáo sư vật lý trường đại học Northeastern, đồng tác giả nghiên cứu. “Loại vật liệu này còn có nhiều ứng dụng khác nữa”, Bansil nói.

Sử dụng năng lượng photon ở phạm vi 10 eV (electron-volt), các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra một “phát xạ quang thứ cấp liền mạch tập trung” mạnh hơn so với những loại tương tự trước đây, Bansil nhận xét. “Đây là cái tốt nhất bởi vì không có cơ chế nào trong hiểu biết của chúng ta có thể tạo ra hiệu ứng tương tự”, Bansil cho biết. “Nói theo cách khác, chúng tôi không có lý thuyết nào cho hiệu ứng trong vật liệu này, vì vậy đó là một đột phá kỳ diệu”.

Phát xạ electron thứ cấp được miêu tả như một hiện tượng mà các electron sơ cấp bị loai ra đều bị mất năng lượng do các va chạm diễn ra trước đó trong vật liệu. “Khi anh kích thích các electron, một số chúng trên thực tế sẽ thoát khỏi trạng thái rắn”, Bansil nói. “Các electron sơ cấp liên quan đến những electron không tán xạ còn các electron thứ cấp do chúng đã phải chịu va chạm trước đó và không còn ở trạng thái rắn nữa”.

Nhóm nghiên cứu, bao gồm các nhà kha học từ ĐH Tây Hồ Trung Quốc, ĐH Công nghệ Lappeenranta-Lahti (LUT) ở Phần Lan và Northeastern, cho biết một kết quả chỉ ra “những quá trình mới nằm bên trong” mà chưa được biết đến. “Sự đột sinh liền mạch được quan sát trong quá trình phát xạ quang thứ cấp cho thấy sự phát triển của một quá trình mới bên trong những quy trình có trong khung lý thuyết phát xạ quang hiện tại”, họ viết trong bài báo.

Bansil nói các kết quả này hất nhào những gì mà các nhà khoa học đã biết về quá trình phát xạ quang, mở ra cánh cửa cho những ứng dụng mới khắp các ngành công nghiệp, có thể khai thác được sức mạnh của các vật liệu lượng tử phức tạp.

“Tất cả chúng ta đều nghĩ mà mình đã hiểu được thứ vật lý cơ bản trong đó, đến mức mà sự phát triển của các ứng dụng đã tuân theo đúng mô thức lý thuyết có sẵn”, Bansil nói. “Như cách tự nhiên vẫn thường làm, đây là nơi bài báo ném một quả bóng vào tất cả những điều tưởng chừng hiển nhiên đó để có thể làm thay đổi mọi thứ”.

Anh Vũ tổng hơp

Nguồn: https://news.northeastern.edu/2023/03/13/breakthrough-discovery-materials-science-photoemission-quantum/

https://phys.org/news/2023-03-breakthrough-discovery-materials-science-current.html

Tác giả