Hiện tượng phát xạ electron lạnh vẫn chưa có lời giải thích thỏa đáng

Ở những nhiệt độ rất thấp, khi không có mặt ánh sáng, một bộ nhân quang sẽ tự động phát ra các electron độc thân. Hiện tượng này, được gọi là “sự phát xạ electron lạnh”, lần đầu tiên được quan sát thấy cách nay gần 50 năm trước.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hiện tượng phát xạ electron lạnh vẫn chưa có lời giải thích thỏa đáng Hiện tượng phát xạ electron lạnh vẫn chưa có lời giải thích thỏa đáng Ở những nhiệt độ rất thấp, khi không có mặt ánh sáng, một bộ nhânquang sẽ tự động phát ra các electron độc thân. Hiện tượng này, được gọi là“sự phát xạ electron lạnh”, lần đầu tiên được quan sát thấy cách nay gần 50năm trước. Mặc dù các nhà khoa học đã biết một vài nguyên nhân gây ra sựphát xạ electron khi không có ánh sáng (còn gọi là tốc độ tối) – bao gồm nhiệt,điện trường, và bức xạ ion hóa – nhưng không có nguyên do nào trong số nàycó thể giải thích cho sự phát xạ lạnh. Thường thì các nhà vật lí xem những sựkiện electron tối này là phiền toái, vì mục đích của một bộ nhân quang làphát hiện ra các photon bằng cách tạo ra các electron tương ứng là hệ quảhiệu ứng quang điện. Trong sự phát xạ electron lạnh, ban đầu khi nhiệt độ giảm, tốc độ tối giảmtheo. Nhưng ở khoảng 220 K, tốc độ tối là là không giảm nữa, và khi nhiệt độ tiếp tục giảm thì nó bắt đầu tăng trở lại. Ảnh: Meyer. Trong một nghiên cứu gần đây, Hans-Otto Meyer, một giáo sư vật lí tạitrường đại học Indiana, đã tiếp tục nghiên cứu sự phát xạ electron bằng cách thựchiện các thí nghiệm cho thấy các dòng electron phát ra được phân bố như thế nàotheo thời gian. Kết quả của ông cho biết các electron được phát ra theo đợt xảy ramột cách ngẫu nhiên, mặc dù trong một đợt các electron được phát ra theo mộtkiểu kì cục, có tương quan với nhau. Ông đề xuất rằng các tương quan đó xác nhậnmột số loại cơ chế bắt giữ, nhưng hành trạng bất thường đó không phù hợp với bấtkì quá trình phát xạ tự phát nào đã biết hiện nay. Chí ít là ở thời điểm hiện tại,dường như chẳng có lời giải thích vật lí nào cho những quan sát đó. “Sự phát xạ lạnh là một hiện tượng vật lí bất chấp sự giải thích”, Meyer phátbiểu với PhysOrg.com. “Cơ sở vật lí giải thích cho nó có thể hoặc không thể là cơbản, chỉ tương lai mới biết được. Các bộ nhân quang tình cờ mang lại môi trườngtrong đó hiện tượng này có thể được quan sát thấy, nhưng tôi ngờ rằng công trìnhnghiên cứu của mình sẽ có tầm quan trọng to lớn đối với những người sử dụng cácbộ nhân quang”. Trong những thí nghiệm của ông, Meyer đặt một ống nhân quang bên trongmột bính chứa rỗng, sau đó ông dìm chúng trong hydrogen hoặc helium lỏng. Sửdụng bức xạ làm lạnh, ông làm lạnh bộ nhân quang xuống đến nhi ệt độ 80 K (-193°C) sau khoảng chừng một ngày, và xuông 4 K (-269° C) trong một ngày khác. Vớicách bố trí như thế này, ông có thể phát hiện ra những sự kiện tối lạnh lẽo, chúngtỏ ra là bị gây ra bởi các electron độc thân phát ra từ ca tốt của ống nhân quang. Như nghiên cứu trước đây cho thấy, bắt đầu từ nhiệt độ phòng, tốc độ tốigiảm khi nhiệt độ giảm, nhưng chỉ giảm tới một điểm nào đó. Dưới khoảng 220 K (-53° C), tốc độ tối là là không giảm nữa. Nếu tiếp tục làm lạnh, thì nó bắt đầu tăng,và tiếp tục tăng ít nhất là xuống tới 4 K (-269° C), nhiệt độ thấp nhất mà Meyer cóđược dữ liệu. Đa số thí nghiệm của Meyer được thực hiện ở nhiệt độ khoảng 80 K(-193° C). Trong các thí nghiệm của ông, Meyer nhận thấy các electron được phát rathành “đợt” – vô số electron vọt ra xuất hiện gần nhau theo thời gian. Mặc dùnhững đợt này xảy ra ngẫu nhiên, nhưng chúng tồn tại trong những khoảng thờigian khác nhau, với sự phân bố thời gian kéo dài của chúng tuân theo một địnhluật hàm mũ. Ngoài ra, Meyer nhận thấy từng sự kiện phát electron riêng lẻ trongmột đợt có tương quan cao với nhau. Đặc biệt, trong một đợt, các sự kiện lúc đầuxảy ra nhanh chóng, sau đó càng lúc càng kém thường xuyên hơn khi đợt phát “tànlụi đi”. Các electron phát ra thành từng đợt kéo dài trong những khoảng thời gian khác nhau, với sự phân bố thời gian tồn tại của chúng tuân theo một định luật hàm mũ. Ảnh: Meyer. Có lẽ quan sát sau cùng này về những khoảng thời gian từ từ lâu hơn giữacác sự kiện phát electron trong một đợt là có sức hấp dẫn nhất. Meyer đề xuất rằngsự phân bố kì lạ này của các sự kiện có thể là kết quả của một cơ chế bắt giữ. Nếubị bắt lại trong một cái bẫy, một electron có thể hoặc thoát ra khỏi bẫy (để quan sátthấy là một sự kiện tối) hoặc nó có thể tái kết hợp với một lỗ trống. Khi một cái bẫyelectron trống dần đi, thì tốc độ phát xạ sẽ tỉ lệ với số lượng electron còn lại bêntrong bẫy. Kịch bản này có thể giải thích sự xuất hiện ban đầu của các sự kiện trongmột đợt, sau đó là một vài electron còn lại tiếp tục nhỏ giọt ra. Phù hợp với những quan sát trước đây về các tương quan giữa nhiệt độ vàtốc độ tối, tốc độ phát xạ electron trong các thí nghiệm của Meyer còn bị ảnhhưởng bởi nhiệt độ. Khi nhiệt độ giảm, cả tốc độ các đợt phát và số lượng sự kiệntrên mỗi đợt tăng lên. Việc quan sát thấy tốc độ phát xạ tăng khi nhiệt độ giảm nhưthế này phù hợp tốt giả thuyết bắt giữ, trong đó nó sẽ là hệ của sự tái kết hợp trởnên kém quan trọng hơn, mang lại nhiều electron hơn thoát ra khỏi bẫy. Như Meyer lưu ý, một quá trình trở nên có khả năng xảy ra hơn khi nhiệt độgiảm, như sự phát xạ electron lạnh, là rất bất thường trong vật lí học. Trong sốnhững quan sát thú vị của ông là tốc độ phát xạ lạnh không phụ thuộc vào việcdụng cụ đang lạnh đi hay đang ấm lên, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ tức thời. Nóichung, các tính chất của sự phát xạ electron lạnh không phù hợp với bất kì quátrình phát xạ tự phát nào khác đã biết, bao gồm sự phát xạ nhiệt, phát xạ trường,sự phóng xạ, hay các bức xạ đâm xuyên như tia vũ trụ. Thí dụ, không giống như cácquá trình phát xạ nhiệt và phát xạ trường đã biết rõ, sự phát xạ lạnh không phụthuộc vào điện trường tại bề mặt phát ra. Ít nhất là cho tới nay, hiện tượng phát xạelectron lạnh vẫn còn là một bí ẩn. “Tự nhiên ở những nhiệt độ rất thấp có rất nhiều bất ngờ”, Meyer nói. “Tôikhông muốn biện hộ xem lời giải thích của sự phát xạ lạnh ...