Hành xử lạ của electron trong từ trường

Thí nghiệm tốt nhất từ trước đến nay quan sát các electron đang chuyển động trong từ trường cho biết hành trạng của hạt sơ cấp này khác rất nhiều với cái được dự đoán bởi vật lí cổ điển nhưng lại ăn khớp với lí thuyết cơ học lượng tử. Thay vì quay đều ở một tần số nhất định, một đội nghiên cứu quốc tế tìm thấy các electron trong từ trường có khả năng quay ở ba tần số khác nhau, tùy thuộc vào các tính chất lượng tử của chúng.

Người ta không biết nhiều về hành trạng của các electron trong từ trường và các nhà khoa học muốn cải thiện tình hình hiểu biết của chúng ta về các quá trình vật lí có liên quan. Các trạng thái electron tự do Landau là một dạng trạng thái lượng tử hóa được các electron chuyển động trong từ trường tuân theo. Tất cả các hạt tích điện đều tương tác với từ trường thông qua lực Lorentz. Tương tác này làm cho các electron trong từ trường chuyển động theo đường xoắn ốc. “Các trạng thái Landau có thể hình dung là các xoáy xuất hiện tự nhiên trong sự có mặt của từ trường. Vai trò của từ trường đối với các electron giống như vai trò của Trái đất đối với sự hình thành lốc xoáy, nhưng ở một thang bậc nhỏ hơn nhiều,” phát biểu của Peter Schattschneider thuộc Viện Vật lí Chất rắn tại trường Đại học Công nghệ Vienna, ông là một thành viên của nhóm bao gồm các nhà nghiên cứu đến từ Pháp, Nhật và Mĩ đã nghĩ ra cách tái dựng những trạng thái này.

Các electron trong từ trường quay với ba tần số khác nhau.

Theo vật lí cổ điển, các electron phải quay tròn xung quanh phương từ trường với một tần số nhất định, gọi là “tần số cyclotron”. Nhưng trong các thí nghiệm của họ, các nhà nghiên cứu tìm thấy, trái với cái được dự đoán, họ có thể làm cảm ứng nhiều tần số quay ở các electron đang chuyển động của họ, đó là tần số cyclotron, tần số zero và tần số Larmor (bằng một nửa tần số cyclotron).

Đội nghiên cứu đã không quan sát các trạng thái Landau của electron một cách trực tiếp. Thay vậy, họ sử dụng một kính hiển vi điện tử truyền qua để tạo ra cái gọi là các chùm xoáy electron, chúng có thể được nắn hình để hành trạng quay của chúng rất giống với các trạng thái Landau. “Trong một chùm xoáy electron, các electron xoáy tròn xung quanh một tâm chung tương tự như các phân tử không khí xoáy trong một cơn lốc tornado. Thông thường, chùm electron xoáy tít này cũng chuyển động dọc theo trục quay của nó, bằng cách ấy mà đi theo một quỹ đạo xoắn ốc,” Schattschneider nói.

Đội nghiên cứu đã sử dụng các thấu kính hội tụ của kính hiển vi để định hình lại các chùm xoáy electron sao cho các chùm này khớp cỡ với các trạng thái Landau. Schattschneider ví von công việc xác định chuyển động quay của các electron với việc tính số vòng quấn của một sợi dây mảnh xung quanh một thanh rắn. “Khi nhìn trực tiếp vào dây quấn, cực kì khó đếm số vòng quấn. Nhưng khi tháo dây và đặt cạnh thanh rắn, thì sợi dây có dạng một xoắn ốc cách đều, nhờ đó ta dễ dàng đếm được số vòng quấn,” ông nói. “Đây chính là cái chúng tôi đã làm với các trạng thái Landau: chúng tôi “kéo duỗi” chúng theo chùm xoáy. Theo cách đó chúng tôi có thể đo [các tần số của chúng] với độ chuẩn xác rất cao.”

“Đây là một kết quả rất hấp dẫn, và nó sẽ góp phần làm hiểu rõ hơn các đặc trưng lượng tử cơ bản của các electron trong từ trường,” phát biểu của Franco Nori đến từ Trung tâm RIKEN Khoa học Vật chất Tiên tiến ở Nhật Bản, người đứng đầu nhóm nghiên cứu. Ngoài việc cho thấy rằng động lực chuyển động quay của các electron là phức tạp hơn và gây hiếu kì hơn so với trước đây người ta vẫn nghĩ, các kết quả mới có thể có các gợi ý thực tế cho công nghệ.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Communications.

Theo physicsworld.com