Quan sát giao thoa sóng – hạt: cơ học lượng tử lại thêm một minh chứng vững chắc

Bất cứ ai từng học hết chương trình vật lý phổ thông đều biết một hiện tượng rất lý thú, đó là hiện tượng giao thoa ánh sáng, mà ví dụ tiêu biểu nhất là thí nghiệm giao thoa hai khe Young (Young’s double slit interference experiment). Đây là thí nghiệm thực hiện vào năm 1803 bởi nhà vật lý học người Anh, Thomas Young. Năm 1799, Young đã viết một luận án về toán lý và trình bày trước Viện Hàn lâm Vương quốc Anh (Royal Society) và khẳng định ý tưởng về việc ánh sáng chuyển động như một sóng. Nên nhớ là trước Young, một nhà vật lý vĩ đại khác của Anh (và của nhân loại) là Isaac Newton đã cho rằng ánh sáng chuyển động như một chùm hạt, vì thế mà luận văn này chưa thể được chấp nhận bởi đông đảo các nhà khoa học ở Royal Society. Thế nhưng, Young vẫn tiếp tục không nản lòng với ý tưởng và đã xây dựng thành công thí nghiệm giao thoa 2 khe để khẳng định cho ý tưởng của mình. Từ thí nghiệm của Young, các nhà khoa học khác (như Fresnel, Poisson…) đã phát triển lý thuyết về sóng ánh sáng và lý thuyết sóng ánh sáng đã được công nhận rộng rãi. Thí nghiệm Young giờ đây được coi là một trong những thí nghiệm kinh điển, đẹp nhất của thời đại.

Bước sang thế kỷ 20, Einstein và Planck lại làm một cuộc cách mạng “lật ngược” điều này khi chứng minh rằng ánh sáng thể hiện như một chùm hạt với các thí nghiệm về hiệu ứng quang điện và xây dựng nền móng cho cơ học lượng tử. Louis de Broglie, một nhà vật lý người Pháp, đã “phán” một câu “xanh rờn” trong luận án tiến sĩ vào năm 1924, rằng sóng hay hạt cũng chỉ là hai mặt của vật chất, một vi hạt chuyển động với xung lượng \mathbf{p} sẽ tương ứng với một sóng có bước sóng cho bởi:

\lambda = \frac{h}{p}

Luận án của Louis de Broglie được đánh giá bởi Albert Einstein, và nhận được sự khích lệ lớn từ Einstein. Và sự chuyển động như một sóng của một chùm hạt đã ngay lập tức được thực nghiệm chứng minh bởi thí nghiệm nhiễu xạ điện tử của Clinton Davisson và Lester Germer (ở Bell Lab, Hoa Kỳ) vào năm 1927 và George Paget Thomson (University of Aberdeen, Scotland) vào năm 1926 một cách độc lập. Cơ học lượng tử trở nên vững chắc hơn với nền tảng “lưỡng tính sóng hạt của vật chất”. Ngày nay, lưỡng tính sóng hạt vẫn có thể quan sát một cách rất phổ biến trong các thiết bị nhiễu xạ chùm điện tử, nhiễu xạ chùm neutron. Nhưng liệu khi khối lượng các hạt trở lên rất lớn (cấp độ phân tử), ta còn có thể quan sát hiệu ứng lượng tử này nữa không?

Hình 1. Sơ đồ thí nghiệm hệ tạo vân giao thoa các chùm nguyên tử (hình ảnh từ Nature Nanotechnology 7, 297–300 (2012)).

Và lần đầu tiên, các nhà vật lý đã xây dựng một thí nghiệm để minh chứng lại tính chất này trong thời gian thực, tức là hiệu ứng giao thoa của chùm hạt có khối lượng lớn (cấp độ phân tử lớn) với độ phân giải thời gian, và thể hiện chính xác các hiệu ứng của vật giao thoa theo thời gian với số lượng hạt được đếm một cách chính xác. Công trình này được hoàn thành bởi các một nhóm lớn nhà vật lý ở Áo, Israel, Thụy Sĩ và Đức trong một công trình vừa xuất bản trên tạp chí Nature Nanotechnology.

Trong thí nghiệm này, các nhà vật lý đã tạo ra các chùm hạt có số lượng hạt khác nhau của hai loại phân tử là phthalocyanine (C32H18N8) có 58 nguyên tử và phthalocyanine 114 (C48H26F24N8O8) bay bốc nhờ chùm laser. Cách tử nhiễu xạ là màng SiN có chiều dày 10 nm và có chu kỳ cách tử là chính xác 100 nm. Chiều dày chỉ 10 nm giúp giảm đi tối đa sự tương tác giửa các nguyên tử và cách tử. Các vân giao thoa được ghi nhận nhờ một kính hiển vi huỳnh quang với CCD camera có khả năng ghi nhận tới độ chính xác 10 nm.

Hình 2. Ảnh chụp hai hệ vân giao thoa cho hai hệ phân tử và phân tích cường độ giao thoa (hình ảnh từ Nature Nanotechnology 7, 297–300 (2012)).

Và các hình ảnh giao thoa lại một lần nữa được tái hiện và ghi nhận không chỉ theo có độ phân giải không gian mà ngay trong thời gian thực, thay đổi theo từng số lượng hạt bắn vào. Hình 2 là một ảnh chụp vân giao thoa của hai hệ phân tử, clip dưới đây cho chúng ta quan sát chính xác vân giao thoa thay đổi như thế nào trong thời gian thực. Đây là một công trình kiểm chứng khá lý thú và cũng ghi nhận những tiến bộ của các kỹ thuật với độ chính xác cao. Và quan trọng hơn, nó cho thấy cơ học lượng tử ở cấp độ các phân tử vẫn hoàn toàn chính xác.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s