Cơ học lượng tử và vật liệu nano

1. E = hn 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...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cơ học lượng tử và vật liệu nano Cơ học lượng tử và vật liệu nano1 . E = hnVào những đêm đông không gì thú vị bằng ngồi bên cạnh cái lò sưởi nghe tiếnglửa reo tí tách, nhìn ngọn lửa lung linh cùng với vài người bạn nhấm nháp ly rượuvang đỏ Penfolds bàn về triết lý cuộc đời, nói chuyện thiên văn địa lý, đông tâykim cổ. Những đêm đông sẽ vô cùng lạnh lẽo và vô vị nếu không có cái lò sưởi vớinhững thỏi than hồng thoang thoảng mùi khói của những khúc gỗ còn xanh, quyệntheo luồng không khí được hâm nóng bằng những tia hồng ngoại. Đắm chìm trongmột không gian ấm áp, ngà ngà men rượu, thỉnh thoảng ánh mắt của ta bị lôi cuốnvào những ngọn lửa đang hừng hực nhảy nhót, ở những khoảnh khắc ấy có khi nàota nghĩ đến ý nghĩa.... vật lý của cái lò sưởi khiêm tốn? Có khi nào ta nghĩ rằng cáilò sưởi kia cũng có quan hệ bà con xa đến cái CD player đặt ở một góc phòng vàđang phát ra những âm thanh tuyệt vời của dòng nhạc giao hưởng cổ điểnSchubert, Mozart hay những bài tình ca Ngô Thụy Miên, Trịnh Công Sơn đau xótcho mối tình gầy mong manh hay tán tụng một tình yêu đang được lên ngôi?! Khiđặt 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 CDplayer 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 lượngtử như một con sông đã vượt qua nhiều khúc quanh, ghềnh thác, tập hợp nhữngphát hiện vĩ đại theo dòng chảy để ngày hôm nay trở thành một dòng sông to lớnđổ vào biển cả khoa học, duy trì sự phồn vinh và hạnh phúc của nhân loại. Vàonăm 1900, qua sự quan sát về bức xạ sóng điện từ của vật đen (black body), Planckđưa 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, nónghơn thành màu vàng và nóng hơn nữa màu xanh trắng như ta thường thấy khi sắt ởthể lỏng. Càng nóng bước sóng của bức xạ càng ngắn (từ màu đỏ tiến đến màuxanh trong trường hợp thanh sắt). Dù không phải là vật đen lý tưởng theo đúngđịnh nghĩa trong vật lý, vật đen trong thực tế có thể là điện trở của bóng đèn, thanhsắt, khúc gỗ trong lò sưởi, mặt trời, phong nền vũ trụ (cosmic background). Từđịnh luật bức xạ Planck, dựa theo quang phổ hay màu sắc phát quang ta có thể dựđoán nhiệt độ của bề mặt mặt trời trong khoảng 5.000 – 6.000 °C, than hồng tronglò 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. Nhiệtđộ 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 thuyếtlượng tử” là năng lượng bức xạ của sóng điện từ được phát ra không liên tục theotừng gói năng lượng E = hn 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 suyra công thức phân bố năng lượng bức xạ của ông vừa tìm thấy sao cho hoàn toànphù hợp với kết quả thí nghiệm. Vài năm sau (1905), dựa vào ý tưởng bức xạ nhiệttheo gói năng lượng của Planck, Einstein đi thêm một bước quan trọng khi đưa raquan niệm rằng ánh sáng được cấu tạo bởi các hạt gọi là photon (hay quang tử,light quantum), mỗi hạt mang năng lượng E = hn, và tương tác với các điện tử củavật chất khi chạm vào. Bằng cách đó ông nhanh chóng hoàn toàn giải thích đượchiệu ứng quang điện mà giới vật lý đương thời phải bó tay, và phát hiện này đãđem lại cho ông giải Nobel năm 1921. Tức là, trái với quan niệm sóng phổ biến lúcbấy giờ, Einstein cho rằng ánh sáng còn một sự tồn tại thứ hai, đó là hạt. Ánh sángvừa 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 âmHán Việt là lượng tử (lượng: năng lượng, tử: con, phần nhỏ), biểu hiện đúng ýnghĩa của quantum. Công thức vĩ đại, E = hn, hàm chứa tính hạt của sóng, cũng làkhởi 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 khôngbao giờ vắng bóng. Nó hiện hữu trong mọi công thức quan trọng liên quan đến cơhọc lượng tử và chi phối việc đi đứng của các vật chất cực nhỏ của thế giới vimô. Cho đến ngày hôm nay, cơ học lượng tử càng ngày càng phục vụ nhân loạimột 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 thiệnđời sống và sức khỏe con người.2. Trước hai ngả đường: cơ học cổ điển và lượng tửKhi gặp phải một vấn đề không rõ rệt, người Nam Bộ có một câu nói dí dỏmnhưng mộc mạc, chân thành: coi dzậy mà hổng phải dzậy. Trong vật lý, nó diễntả một cách bình dân những cơ bản của cơ học lượng tử như tính xác suất, tính bấtđịnh 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 đầuthế kỷ 20, khi hằng số Planck xuất hiện trong định luật bức xạ và tiếp theo đó mộtloạt 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 theothường thức (common sense) của thế giới đời thường được lý giải qua cơ học cổđiển Newton hoàn toàn bị đảo lộn. Trước những phát hiện vĩ đại này, đã có mộtthời gian dài các nhà khoa học đã từng hoang mang, thậm chí chế diễu trướcnhững khám phá mang tính triệt để và dứt khoát của một cuộc cách mạng khoahọc.Trong thế giới bất định của cơ học lượng tử, để hiểu được sự hiện hữu, di động vàtương tác của vật chất cực nhỏ ta cần đến một tư duy khác phá tan những xiềngxích trói buộc của cơ học cổ điển. Khi một chiếc xe hơi chạy với vận tốc 100 k ...