Lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng Hall ở một ngưng tụ Bose-Einstein

Các nhà nghiên cứu ở Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mĩ vừa lần đầu tiên quan sát thấy hiệu ứng Hall ở một chất khí gồm những nguyên tử cực lạnh. Hiệu ứng Hall là một tương tác quan trọng của từ trường và dòng điện thường xảy ra với kim loại và chất bán dẫn. Các biến tấu của hiệu ứng Hall đã được sử dụng trong kĩ thuật và trong vật lí với các ứng dụng đa dạng từ những hệ thống đánh lửa tự động cho đến những phép đo cơ bản của điện học. Khám phá mới có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cơ sở vật lí của các hiện tượng lượng tử ví dụ như sự siêu chảy và hiệu ứng Hall lượng tử.

Bài báo của họ công bố trên số ra trực tuyến ngày 14 tháng 6, 2012, của tạp chí Proceedings of the National Academy of Sciences.

Được Edwin Hall phát hiện ra vào năm 1879, hiệu ứng Hall dễ hình dung nhất ở một chất dẫn điện hình chữ nhật như một tấm đồng khi có một dòng điện chạy dọc theo chiều dài của nó. Một từ trường đặt vuông góc với dòng điện (vuông góc với tấm đồng) làm lệch đường đi của các hạt mang điện trong dòng điện (electron chẳng hạn) bằng cách gây cảm ứng một lực theo chiều hứ ba vuông góc với cả từ trường và dòng điện. Lực này đẩy các hạt mang điện về một phía của tấm kim loại và gây ra một điện thế, hay “hiệu điện thế Hall”. Hiệu điện thế Hall có thể dùng để đo những tính chất tiềm ẩn bên trong các các hệ thống điện, ví dụ như nồng độ hạt mang điện và dấu điện tích của chúng.

“Các hệ nguyên tử lạnh là một nền tảng quan trọng để nghiên cứu nền vật lí phức tạp vì chúng gần như không có tạp chất gây cản trở, các nguyên tử chuyển động chậm hơn nhiều so với các electron trong chất rắn, và các hệ cũng đơn giản hơn nhiều,” phát biểu của nhà nghiên cứu NIST Lindsay LeBlanc. “Thủ thuật là tạo dựng những điều kiện sẽ khiến các nguyên tử hành xử theo kiểu thích hợp.”

Với đám mây gồm khoảng 20.000 nguyên tử tập trung thành một quả cầu loãng, sau đó các nhà nghiên cứu cho lực bắt giữ biến thiên tuần hoàn – đẩy các nguyên tử trong đám mây lại với nhau và rồi hút chúng ra xa – để mô phỏng chuyển động của các hạt mang điện trong một dòng xoay chiều. Đáp lại, các nguyên tử bắt đầu chuyển động theo kiểu giống hệt về mặt toán học với cách các hạt tích điện chịu hiệu ứng Hall sẽ chuyển động, tức là vuông góc với cả chiều của dòng “điện” và từ trường nhân tạo. Ảnh: NIST

Việc đo hiệu ứng Hall ở một ngưng tụ Bose-Einstein xây dựng dựa trên công trình NIST trước đây tạo ra điện trường và từ trường nhân tạo. Trước tiên, nhóm nghiên cứu sử dụng laser buộc năng lượng của các nguyên tử với xung lượng của chúng, đưa hai trạng thái nội vào một liên hệ gọi là sự chồng chất. Việc này làm cho các nguyên tử trung hòa điện tác dụng như thể chúng là những hạt tích điện. Với đám mây gồm khoảng 20.000 nguyên tử tập trung thành một quả cầu loãng, sau đó các nhà nghiên cứu cho lực bắt giữ biến thiên tuần hoàn – đẩy các nguyên tử trong đám mây lại với nhau và rồi hút chúng ra xa – để mô phỏng chuyển động của các hạt mang điện trong một dòng xoay chiều. Đáp lại, các nguyên tử bắt đầu chuyển động theo kiểu giống hệt về mặt toán học với cách các hạt tích điện chịu hiệu ứng Hall sẽ chuyển động, tức là vuông góc với cả chiều của dòng “điện” và từ trường nhân tạo.

Theo LeBlanc, việc đo hiệu ứng Hall đó mang lại một công cụ nữa dành cho nghiên cứu cơ sở vật lí của sự siêu chảy, một điều kiện lượng tử nhiệt độ thấp trong đó các chất lỏng chảy mà không có ma sát, cũng như cái gọi là hiệu ứng Hall lượng tử, trong đó tỉ số của hiệu điện thế Hall và dòng điện chạy qua chất liệu bị lượng tử hóa, cho phép xác định các hằng số cơ bản.

Tham khảo: L.J. LeBlanc, K. Jimenez-Garcia, R.A. Williams, M.C. Beeler, A.R. Perry, W.D. Phillips and I.B. Spielman. Observation of a superfluid Hall effect. Proceedings of the National Academy of Science. Published online before print June 14, 2012, doi: 10.1073/pnas.1202579109

123physics – thuvienvatly.com
Nguồn: NIST