Bí ẩn cửa sổ lượng tử: Các electron không thể tìm thấy lối thoát?
Điều gì sẽ xảy ra khi các electron rời khỏi một vật liệu rắn? Dường như đây là một hiện tượng đơn giản nhưng cho đến giờ, nó vẫn chưa được miêu tả chính xác trên lý thuyết. Mới đây, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy một miếng ghép bị mất của vấn đề này.
Hãy tưởng tượng một con ếch ngồi trong một cái hộp. Cái hộp đủ chỗ để mở một cửa sổ ở một chiều cao nhất định. Con ếch có thể thoát ra không? Điều này phụ thuộc vào việc nó có bao nhiêu năng lượng: nếu có thể nhảy đủ cao thì nó có thể thoát ra. Nhưng trên thực tế thì thành công lại là vấn đề khác. Độ cao của cú nhảy không đủ – con ếch cần phải nhảy xuyên qua cửa sổ.
Một tình huống tương tự xảy ra khi các electron ở bên trong một chất rắn – ví dụ bắn phá vật liệu với electron bổ sung – chúng có thể thoát khỏi vật liệu. Hiệu ứng này đã được biết đến và được sử dụng rộng rãi trong phát triển công nghệ. Nhưng thật ngạc nhiên là chưa thể tính toán quá trình này một cách chính xác. Một hợp tác giữa các nhà nghiên cứu ở TU Wien đã giải được bí ẩn này: giống như con ếch, việc có có đủ năng lượng là vấn đề – các electron cần phải tìm đúng “đường ra”, cái gọi là ‘trạng thái cửa ngõ/trạng thái ngưỡng (doorway state).
Tình huống đơn giản, kết quả khó hiểu
“Các chất rắn mà các electron chuyển động chậm đột sinh vẫn đóng vai trò quan trọng trong vật lý. Từ các mức năng lượng của các electron đó, chúng ta có thể lấy được những thông tin giá reij về vật liệu,” Anna Niggas của Viện Vật lý ứng dụng tại TU Wien và là tác giả thứ nhất của nghiên cứu, nói.
Các electron bên trong một vật liệu có thể có những mức năng lượng khác nhau. Khi chúng có một ngưỡng năng lượng nhất định, chúng bị bẫy bên trong vật liệu. Khi vật liệu được cung cấp thêm năng lượng, một số electron cũng sẽ có mức năng lượng vượt quá mức năng lượng này.
“Có một giả định là tất cả các electron, một khi có đủ năng lượng, đơn giản là chúng sẽ rời khỏi vật liệu,” giáo sư Richard Wilhelm, phụ trách nhóm Vật lý nguyên tử và Plasma tại TU Wien, nói. “Nếu điều đó là thật thì mọi thứ có thể đơn giản: chúng ta chỉ cần nhìn vào các mức năng lượng của các electron bên trong vật liệu và trực tiếp suy ra là các electron phải xuất hiện ở bên ngoài. Nhưng hóa ra là điều này lại không xảy ra.”
Các dự đoán lý thuyết và các kết quả thực nghiệm dường như không khớp với nhau. Điều khó hiểu ở đây là “những vật liệu khác nhau – như cấu trúc graphene với nhiều lớp – có thể có những mức năng lương rất tương tự electron, cho thấy hành xử hoàn toàn khác biệt trong các electron phát ra”, Anna Niggas nói.
Không có lối thoát nếu không có cửa
Vấn đề cốt lõi là chỉ có mỗi năng lượng thì không đủ. Sự tồn tại của các trạng thái lượng tử nằm trên ngưỡng năng lượng cần thiết nhưng vẫn không đủ để vượt khỏi vật liệu – và các trạng thái đó không được tính đến trong những mô hình trước đây. “Từ điểm nhìn năng lượng thì electron không còn ràng buộc lâu hơn trong vật liệu rắn. Nó đã có đủ năng lượng của một electron tự do, và vẫn còn đủ vị trí về mặt không gian ở trong chất rắn”, Richard Wilhelm nói. Electron hành xử như con ếch nhảy đủ cao nhưng thất bại trong việc tìm đường ra.
“Các electron phải chiếm đủ các trạng thái cụ thể cần thiết – vì vậy người ta gọi đó là ‘trạng thái cửa ngõ’,” giáo sư Florian Libisch của Viện Vật lý lý thuyết giải thích. “Các trạng thái đó kết cặp đủ mạnh với những gì trên thực tế dẫn đến cú nhảy khỏi chất rắn. Không phải mọi trạng thái với mức năng lượng đủ là một trạng thái cửa ngõ – chỉ có những năng lượng đại diện cho ‘cánh cửa mở’ mới được coi là trạng thái cửa ngõ.”
“Lần đầu tiên, chúng tôi chứng tỏ được hình dạng của phổ electron phụ thuộc không chỉ vào bản thân vật liệu mà về vấn đề cốt lõi là liệu các trạng thái có cộng hưởng không và cộng hưởng ở nơi nào để trở thành các trạng thái cửa ngõ,” Anna Niggas nói. Một số các trạng thái không chỉ đột sinh khi nhiều hơn năm lớp vật liệu được xếp chồng. Khám phá này mở ra những cái nhìn mới về thiết kế đích và sử dụng các vật liệu xếp lớp trong công nghệ và nghiên cứu.
Tô Vân
