Lần đầu tiên tái cấu trúc hàm sóng Bloch bằng thực nghiệm

Tốc độ ánh sáng là vận tốc nhanh nhất trong trong vũ trụ này. Không có ngoại lệ. Bất cứ ai đã nhìn thấy sự phân tách ánh sáng trắng hình lăng trụ thành cầu vồng đều có thể chứng kiến các đặc tính vật chất có thể ảnh hưởng đến hành xử của các vật thể lượng tử như thế nào: trong trường hợp này là tốc độ lan truyền ánh sáng.

Trong vùng thấp bên dưới tia laser cận hồng ngoại chia tách hai electron (các vòng tròn rỗng) thành hai dạng lỗ (các vòng tròn đặc). Việc tích điện đã gia tốc chúng dịch chuyển xa nhau bằng dao động điện trường khỏi laser terahertz (sóng xám). Trường thay đổi sau đó kéo các vật mang điện tích hướng về nhau, kết hợp và phát xạ thành hai tia sáng. Các quỹ đạo được miêu tả trong một chiều không gian với thời gian chảy trôi từ dưới cùng bên phải lên tới trên cùng bên trái. Nguồn: Brian Long

Các electron hành xử hoàn toàn khác biệt bên trong các vật liệu so với khi chúng ở trong không gian tự do, và việc hiểu rõ điều này giúp các nhà khoa học nghiên cứu về các đặc tính của vật liệu cũng như các kỹ sư có thể phát triển được các công nghệ mới. “Bản chất của sóng electron rất đặc biệt. Nếu muốn thiết kế các thiết bị trong tương lai để tận dụng sự tiên tiến trong bản chất của cơ học lượng tử này, anh phải biết rõ các hàm sóng đó”, Joe Costello, một học viên cao học về vật lý các chất đậm đặc ở UC Santa Barbara, nói.

Trong công trình mới, đồng tác giả Costello, Seamus O’Hara và Qile Wu cùng các đồng nghiệp đã phát triển một phương pháp tính toán bản chất của sóng, hay còn gọi là hàm sóng Bloch, từ các đo đạc vật lý. “Đây là lần đầu tiên có một thực nghiệm tái cấu trúc hàm sóng Bloch”, Mark Sherwin, một giáo sư về vật lý các chất đậm đặc tại UC Santa Barbara, nói. Phát hiện này của nhóm nghiên cứu đã được xuất bản trên Nature, đúng 90 năm sau khi Felix Bloch miêu tả lần đầu hành xử của các electron trong các chất rắn ở dạng tinh thể ¹.

Giống như mọi vật chất, các electron có thể hành xử như hạt và sóng. Các đặc tính giống sóng của chúng được miêu tả bằng các công thức toán học mà chúng ta gọi là hàm sóng. Các hàm này có cả các thành phần thực và ảo, khiến chúng trở thành cái mà các nhà toán học vẫn gọi là các hàm phức. Nhưng không thể đo đạc trực tiếp giá trị hàm sóng Bloch của một electron; tuy nhiên, có thể quan sát một cách trực tiếp các đặc tính liên quan đến nó.

Hiểu về các hàm sóng Bloch là điều tối cần thiết để thiết kế các thiết bị mà các kỹ sư có thể mường tượng ra trong tương lai, Sherwin nói. Thách thức cho việc hiểu về hàm sóng là ở chỗ không thể tránh được sự ngẫu nhiên xuất hiện trong một vật liệu, các electron di chuyển xung quanh và các hàm sóng của chúng phân tán như giải thích của O’Hara. Những điều này xảy ra vô cùng nhanh trong vòng 100 femto giây (nhỏ hơn phần triệu giây), khiến các nhà khoa học khó có đủ thời gian thực hiện đo lường các đặc tính giống sóng của electron trong vật liệu để tái cấu trúc hàm sóng Bloch.

Thật may mắn là nhóm nghiên cứu của Sherwin có quyền tập hợp nhân lực và thiết bị để giải quyết khó khăn này.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một loại vật liệu bình thường, gallium arsenide, để thực hiện thực nghiệm của mình. Tất cả các electron trong vật liệu này ban đầu bị kẹt trong các nguyên tử Ga và As. Sử dụng một tia laser hồng ngoại tần số cao, cường độ thấp, họ kích thích các electron trong vật liệu này. Mức năng lực dư không ràng buộc được một số electron trong mối liên kết của nó, khiến chúng linh hoạt hơn. Mỗi electron tự do rời đi để lại một “lỗ” tích điện dương giống như một cái bong bóng trong nước. Trong gallium arsenide, có hai dạng lỗ, các lỗ “nặng” và các lỗ “nhẹ”, hành xử như những hạt với khối lượng khác nhau, Sherwin giải thích. Sự khác biệt nhỏ này sau đó đã lên tới kịch điểm.

Trong thời gian thực hiện thí nghiệm, một tia laser terahertz rất mạnh đã tạo ra một điện trường dao động bên trong vật liệu, có thể gia tốc những điện tích tự do mới đó. Nếu các electron không được ràng buộc kia và các lỗ được tạo ra đúng thời điểm, chúng có thể gia tốc xa nhau, chậm dần, dừng lại, sau đó tăng tốc về phía nhau và kết hợp lại. Tại điểm này, chúng có thể phát xạ ra một xung ánh sáng, hay còn gọi là dải biên, với một mức năng lượng riêng. Sự phát xạ dải biên này mã hóa thông tin về các hàm sóng lượng tử, bao gồm cả các pha của chúng, hoặc cách dịch chuyển các hàm sóng.

Từ trái sang phải: Mark Sherwin, Seamus O’Hara, Joe Costello và Qile Wu. Costello đang cầm một thiết bị ở quy mô mô hình của máy gia tốc UCSB FEL, đặt trong tòa nhà phía sau họ. Nguồn: Changyun Yoo

Bởi vì các lỗ nặng và nhẹ được gia tốc khác nhau trong trường laser terahertz, các hàm sóng Bloch của chúng đạt được các pha lượng tử khác nhau trước khi chúng kết hợp với các electron. Kết quả là các hàm sóng của chúng giao thoa với nhau để tạo ra bức xạ cuối cùng được đo đạc bằng các thiết bị. Sự giao thoa đó cũng bức chế độ phân cực của dải biên cuối cùng, vốn có thể là hình tròn hoặc elip ngay cả sự phân cực của các tia laser là tuyến tính.

Đó là sự phân cực kết nối với dữ liệu thực nghiệm với lý thuyết lượng tử, được nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ Qile Wu diễn giải. Lý thuyết của Qile là có một tham số tự do, một số có giá trị thực kết nối lý thuyết với dữ liệu thực nghiệm. “Vì vậy chúng ta có một mối tương quan rất đơn giản kết nối với thuyết cơ học lượng tử với thực nghiệm trong thế giới thực”, Wu nói.

“Tham số của Qile miêu tả một cách đây đủ các hàm sóng lỗ của Bloch mà chúng tôi tạo ra trong vật liệu gallium arsenide”, đồng tác giả thứ nhất Seamus O’Hara, một nghiên cứu sinh trong nhóm của Sherwin nói. Nhóm nghiên cứu có thể làm được điều này bằng việc đo đạc điện cực của dải biên và sau đó tái cấu trúc các hàm sóng, vốn biến đổi dựa trên góc mà tại đó lỗ lan truyền trong tinh thể. “Lý thuyết tinh tế của Qile kết nối với các hàm sóng Bloch được tham số hóa theo dạng ánh sáng mà chúng ta có thể quan sát bằng thực nghiệm”.

“Nguyên nhân khiến các hàm sóng Bloch trở nên quan trọng”, Sherwin cho biết thêm, “là bởi vì hầu hết bất kỳ tính toán nào anh muốn làm với sự tham gia của các lỗ đó, anh cần biết hàm sóng Bloch”.

Hiện tại, các nhà khoa học và các kỹ sư phải phụ thuộc vào các lý thuyết với những tham số mà người ta chưa hiểu nhiều về nó. “Vì vậy, nếu chúng ta có thể tái cấu trúc chính xác các hàm sóng Bloch trong rất nhiều vật liệu khác nhau rồi sau đó chuyển thành thông tin phục vụ cho việc thiết kế và kỹ thuật các dạng thiết bị hữu dụng và thú vị như laser, máy dò và thậm chí một số cấu trúc máy tính lượng tử”, Sherwin nói.

Thành công này là kết quả tích lũy nghiên cứu hơn một thập kỷ, kết hợp với một nhóm nghiên cứu hết sức năng động và thiết bị tốt. Một buổi họp giữa Sherwin và Renbao Liu, tại trường đại học Hong Kong bên lề hội thảo năm 2009 đã dẫn đến sự hình thành dự án nghiên cứu này.

Sherwin nhận ra là thiết bị Laser Eletron tự do tại UC Santa Barbara có thể cung cấp các điện trường cần thiết để gia tốc và tạo ra va chạm của các electron và các lỗ đồng thời với việc xử lý tần số có thể điều hướng một cách vô cùng chính xác.

Ban đầu, họ còn chưa hiểu hết về dữ liệu mình thu thập được, và mất thời gian để ghi nhận sự phân cực dải biên là yếu tố chính để tái cấu trúc các hàm sóng. “Chúng tôi đã phải căng não suốt vài năm”, Sherwin nói, “và với sự hỗ trợ của Qile, cuối cùng chúng tôi đã xác định được sự phân cực này thực ra nói với chúng tôi rất nhiều điều”.

Hiện tại, họ đánh giá phép đo đạc các hàm sóng Bloch trong một vật liệu mà họ quen thuộc, họ rất háo hức áp dụng kỹ thuật của mình vào những vật liệu mới và nhiều giả hạt lạ hơn. “Mục tiêu của chúng tôi là mời vào nhóm những người muốn học hỏi về hàm sóng Bloch để tìm hiểu một số vật liệu thú vị mới”, Costello nói.

Thanh Phương tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2021-11-scientists-experimentally-reconstruct-bloch-wavefunction.html

https://scitechdaily.com/first-experimental-reconstruction-of-a-bloch-wavefunction/

——————–

1. https://www.nature.com/articles/s41586-021-03940-2