Giải Nobel Vật lý 2010

Ngày 5/10/2010 Hàn lâm viện Khoa học Hoàng gia Thụy điển đã thông báo trao giải Nobel Vật lý 2010 cho hai nhà khoa học (từ trái sang phải): Andre Geim, sinh năm 1958 tại Sochi, Nga, PhD 1987 tại Viện Chất rắn, Hàn lâm khoa học Nga, Đại học Manchester, Anh;  Konstantin Novoselov, sinh năm 1974 tại Nizhny Tagil, Nga, PhD  2004 tại Đại học Radboud, Hà lan, Đại học Manchester, Anh, vì những thí nghiệm đột phá về vật liệu 2 chiều graphene [1].


Số tiền thưởng của giải là 10 triệu SEK -krona Thụy Điển, khoảng 1.500.000 USD, chia đều cho hai người. Cả hai nhà vật lý này đều bắt đầu con đường học vấn và sự nghiệp khoa học ở Nga và hiện nay là giáo sư tại Đại học Manchester, Anh. Một chi tiết lý thú là năm 2000 Andre Geim đã được giải IgNobel vì con ếch bay trong từ trường (levitating the frog).

1. Graphene là gì ?

Các vật liệu tinh thể hai chiều (2D) hiện nay được nghiên cứu nhiều. Một trong số đó là graphene, một lớp nguyên tử đơn carbon (hình 1). Vật liệu mới này có những tính chất quan trọng đối với các nghiên cứu cơ bản cũng như đối với những ứng dụng kỳ diệu trong tương lại.


Hình 1. Graphene. Đây là một mạng 2D hoàn hảo chỉ dày bằng một nguyên tử. Mạng này gồm những nguyên tử carbon nối liền với nhau theo những hình lục giác.

Sau đây là một số đặc trưng cơ, nhiệt, điện của graphene:

a. Mật độ của graphene: 0,77 mg/m2, như vậy một cái võng 1m2 làm bằng graphene chỉ có trọng lượng bằng 0,77 mg,
b. Graphene gần như trong suốt,
c. Graphene bền hơn thép 100 lần lại dễ kéo dài, uốn cong,
d. Độ dẫn điện của graphene lớn hơn đồng (0,96.106.W-1cm-1 so với 0,60.106.W-1cm-1),
e. Độ dẫn nhiệt của graphene 10 lần lớn hơn đồng.

Hai nhà khoa học Andre K.Geim và Konstantin S.Novoselov đã thành công trong các thí nghiệm chế tạo, bóc tách riêng lớp 2D graphene, và xác định những tính chất quan trọng của graphene.

2. Các dạng khác nhau của carbon

Như chúng ta biết carbon là nguyên tố cơ sở của DNA và mọi tổ chức của sự sống trên trái đất. Carbon có thể tồn tại dưới nhiều dạng. Dạng thông thường nhất là graphite là những tờ carbon liên kết. Dưới áp suất lớn kim cương sẽ hình thành từ carbon.

Một dạng mới của phân tử carbon là fullerene, thông thường nhất  là C60 gồm 60 nguyên tử carbon trong dạng một quả bóng làm bằng 20 hình tám cạnh và 12 hình năm cạnh, cấu hình này cho phép một diện tích trở thành một mặt hình cầu. Các tác giả (R. F. Curl, Jr., R. E. Smally, and H. W. Kroto ) phát hiện fullerene được tặng giải Nobel Hóa học năm 1996.

Một dạng khác gần như một chiều (quasi-one-dimensional) là ống nano carbon. Chúng được cấu thành từ  những tờ graphene cuốn tròn thành dạng ống với các đầu có dạng bán hình cầu. Các tính chất điện tử và cơ học của ống nano có nhiều điểm tương đồng với graphene.

Như chúng ta biết graphite gồm nhiều tờ carbon chồng lên nhau, song người ta cho rằng không thể bóc từng tờ riêng ra được. Do đó, cộng đồng  vật lý thế giới đã vô cùng ngạc nhiên khi Konstantin Novoselov và Andrei Geim cùng cộng sự đã chứng minh rằng các lớp đơn có thể bóc riêng ra được và các lớp đó là bền. Một lớp đơn như vậy chính là graphene (hình 2).


Hình 2. Các phân tử fullerene C60, các ống nano carbon và graphite đều được cấu thành từ các tờ graphene.

3. Giải năng lượng

Graphene như vậy là một lớp đơn carbon có cấu trúc mạng như mạng lục giác tổ ong với khoảng cách carbon-carbon là 0,142 nm. Đây  là một vật liệu tinh thể  2D (hai chiều) quan trọng.

Các tính toán về cấu trúc giải năng lượng của graphene đã được tiến hành về mặt lý thuyết từ năm 1947, lúc bấy giờ các tính toán này chỉ mang tính hàn lâm. Chỉ 60 năm sau Geim và Kim (Đại học Columbia) mới tiến hành những nghiên cứu thực nghiệm trên graphene.

Trong một bán dẫn thông thường electron được gán một khối lượng hiệu dụng m* để tính đến tương tác của electron với mạng và E phụ thuộc vào bình phương xung lượng theo hệ thức  

                      

trong đó k là vector sóng của electron.

Xét graphite ta thấy các giải năng lượng giao lên nhau, nhưng trong graphene vùng giao nhau thu gọn về một điểm và có sự đối xứng giữa các giải năng lượng của lỗ trống và electron (xem hình 3). Hệ thức tán sắc trong hai giải trở thành tuyến tính khi đến gần điểm gặp nhau đó. Khối lượng electron m* tiến đến số không, do đó mà động học electron được mô hình hóa tốt nhất bởi phương trình tương đối tính Dirac với

trong đó vận tốc Fermi vF thay chỗ tốc độ ánh sáng (hãy so sánh với công thức  ).E phụ thuộc tuyến tính vào xung lượng  [2].

Lẽ dĩ nhiên khối lượng electrron không bằng không song  trong trường hợp này thông số biểu diễn khối lượng tiến đến số không chứng tỏ rằng vận tốc electron trong graphene là một hằng số.

Cấu trúc điện tử của graphene khác hẳn với vật liệu ba chiều. Mặt Ferrmi được đặc trưng bởi sáu hình chóp đôi như ở hình 3. Mức Fermi nằm tại các điểm gặp nhau (điểm Dirac) của các hình chóp đó.

Gần mức Fermi hệ thức tán sắc (tức năng lượng như hàm số của vector sóng  ) của electron và lỗ trống là hàm tuyến tính.


Hình3.  Graphene trong không gian thực và trong biểu diễn xung lượng-không gian. (a) Mỗi nguyên tử carbon trong mạng graphene làm thành những liên kết mạnh chung hóa trị (covalent) với các nguyên tử chung quanh.(b) Cấu trúc giải năng lượng của tinh thể biểu diễn sự phụ thuộc của năng lượng với chuyển động của electron.Trong graphene giải hóa trị (valence) và giải dẫn ( conduction) tiếp nhau tại những điểm của vùng Brillouin. Hệ thức tán sắc năng lượng – xung lượng trở thành tuyến tính ở vùng lân cận các điểm đó, hệ thức tán sắc được mô tả bởi phương trình năng lương tương đối tính E= trong đó vF là vận tốc Fermi còn  là xung lượng . Do đó một electron có khối lượng hiệu dụng bằng không và chuyển động như một photon hơn là một hạt có khối lương thông thường với hệ thức tán sắc là parabolic.


4. Phát hiện graphene

Graphene về mặt lý thuyết được biết từ năm 1947 bởi P.R.Wallace. Năm 1956 phương trình sóng của các mức kích thích được viết ra bởi J.W.McClure và mối tương tự với phương trình Dirac được phát hiện năm 1984.

Trước năm 2004 sự bóc tách các tờ graphene bền được cho là không thực hiện được. Sau đó Andre Geim và Konstantin Novoselov đã thành công trong việc cô lập được tờ graphene riêng lẻ. Các kết quả được công bố trên Science tháng 10/2004.

5. Những tính chất mang tính khoa học cơ bản

Trong lý thuyết dây (LTD) người ta nói đến những không thời gian 10, 11 chiều nhưng chính vương quốc các không gian 2 chiều (flatland) lại chứa đựng nhiều điều kỳ thú . Đây là vương quốc của những chất liệu như graphene. Hai nhà khoa học Geim & Novoselov, tại đại học Manchester đã chế tạo được graphene có chiều dày bằng một nguyên tử. Đây là vật liệu hai chiều mỏng nhất trên thế giới hiện nay và có những tính chất kỳ diệu mà người ta đã để gần một nửa thế kỷ để nghiên cứu về mặt lý thuyết.

Graphene là một bán dẫn không có vùng cách (gapless) trong giải năng lượng [3] . Điều này buộc rằng tốc độ electron trong graphene phải là một hằng số không phụ thuộc vào xung lượng, giống như vận tốc của photon (ánh sáng) luôn bằng  c  vậy. Như vậy cơ học lượng tử của electron trong graphene là đồng nhất với cơ học lượng tử của những hạt tương đối tính với khối lượng rất nhỏ. Các tính chất  tương đối tính này không phải xuất phát từ điều kiện phù hợp với lý thuyết tương đối – hay với bất biến Lorentz- mà đơn giản từ điều kiện đối xứng của mạng hình tổ ong.

Ngoài ra vì Hamilton của chúng tương tự như Hamilton của các hạt tương đối tính không khối lương cho nên graphene có những tính chất mà ta có thể biết được từ bất kỳ một sách giáo khoa nào về lượng tử tương đối tính.

a/ Hiện tượng đường hầm Klein (Klein tunelling, phát hiện năm1929 bởi nhà vật lý Thụy điển Oskar Klein)

Phương trình Dirac nói rằng vì có hiện tượng hủy cặp thành hai hạt ảo cho nên các hạt tương đối tính có thể thâm nhập vào các rào chắn với độ cao và độ rộng  bất kỳ mà không để lại đằng sau một thành phần phản xạ nào cả. Hiệu ứng này gọi là nghịch lý Klein. Đây là một trong những hiện tượng phản trực giác nhất trong QED (Quantum Electrodynamics-Điện động lực học lượng tử). Hiện tượng này đã được tiên đoán từ nhiều thập kỷ nay nhưng chưa được quan sát trong các thí nghiệm về vật lý các hạt cơ bản. Song trong graphene thì hiện tượng hạt fermion Dirac hủy thành electron và lỗ trống này xảy ra thường xuyên và nghịch lý Klein cũng đã được quan sát.

Vì vận tốc của electron trong graphene không bằng vận tốc ánh sáng (chỉ bằng 106 m/s) cho nên một điều đáng chú ý là trong graphene tương tác là mạnh hơn so với QED vì trong QED hạt chuyền tương tác là photon (có tốc độ ánh sáng). Vận tốc lớn của electrron trong graphene mở ra khả năng nghiên cứu một số vấn đề ở kích cỡ nhỏ không phải sử dụng đến máy gia tốc.

b/ . Hiệu ứng Hall lượng tử

Hình 4.  Độ dẫn Hall (độ dẫn đo thẳng góc với dòng điện-transverse conductivity) như hàm của mật độ dẫn có những vùng nằm ngang (plateau) gián đoạn lượng tử hoá trong đơn vị e2/h. Đường sóng phía dưới là độ trở dọc (longitudinal resistivity).

Khi có một từ trường thẳng góc thì các electrron giam giữ trong một mặt sẽ chịu tác dụng lực Lorentz và chuyển động theo một quỹ đạo tròn. Theo lý thuyết lượng tử các vòng quỹ đạo này sẽ chứa một số nguyên độ dài sóng Broglie. Trong vật lý 2D điều kiện đó sẽ dẫn đến một phổ rời rạc các động năng ( mức Landau). Như thế các tính chất điện tử của graphene trở thành lượng tử hóa. Nhóm các nhà khoa học Philip Kim, Novoselov và Geim đã quan sát được hiệu ứng Hall lượng tử nguyên (integer quantum Hall effect) trong graphene (hình 4) ở nhiệt độ phòng. Có một điểm bất thường là phần nằm ngang đầu tiên (first plateau) ứng với 2e2/h, tức bằng một nửa của trị số dự đoán.

6. Các ứng dụng trong tương lai

Vì graphene có nhiều tính chất đặc biệt cho nên sẽ có nhiều ứng dụng trong tương lai (hình 5 mô tả một số ứng dụng). Như đã biết graphene là một vật liệu rất mỏng, có độ bền cơ học lớn, trong suốt và dễ uốn nắn. Độ dẫn có thể thay đổi bằng cách pha tạp chất hoặc bằng điện trường.


Hình 5. Một số ứng dụng của graphene

Graphene có thể có nhiều ứng dụng trong điện tử tần số cao. Vì graphene trong suốt cho nên có thể dùng để làm màn hình cảm ứng  (transparent touch screen), màn hình và pin mặt trời(solar cells) và dần có thể thay thế vật liệu ITO (Indium-Tin-Oxide) vốn đắt tiền và không bền. Những ứng dụng khác là điện tử dẻo (flexible electrronics) và các cảm ứng khí (gas sensors). Màn hình máy tính graphene có thể uốn cong và để vào túi.

Các transistor graphene hoạt động nhanh hơn sẽ thay thế dần các  transistor làm bằng silicon hiện nay.

Nhiều loại composite làm bằng graphene nhờ độ bền lớn và nhẹ sẽ được ứng dụng trong hàng không và vũ trụ.

Phạm vi ứng dụng graphene trong tương lai rất rộng lớn và  khó lòng đoán trước được  theo lời phát biểu của chính các nhà vật lý giải Nobel Vật lý năm nay.

Graphene là vật liệu 2D kỳ diệu nhất vì có những tính chất khoa học cơ bản  và những ứng dụng quan trọng. Thế giới khoa học hoan nghênh hai nhà khoa học Andre Geim và Konstantin Novoselov đoạt giải Nobel Vật lý 2010.

Tài liệu tham khảo và chú thích
[1] Nobel prize in Physics 2010, Press Release, Information for the public & Scientific Background.
[2] Mark Wilson, Electrons in Atomically Thin Carbon Sheets Behave like Massless Particles, Physics Today tháng 1/2006, trang 21
[3] Andrey K. Geim and Allan H. MacDonald,Graphene: Exploring carbon flatland, Physics Today tháng 8/2007, trang 35 & Condensed Matter and Materials Physics (CMMP 2008) tháng 8/2007

Tìm địa điểm Trường
Gọi trực tiếp
Chat Facebook
Chat Zalo

[flipbook id="1"]