Hiệu quả Hall và vài suy nghĩ về tính sáng tạo của sinh viên đại học

Tài liệu bao gồm nhiều bài viết, giúp người đọc hiểu và thực hiện tư duy sáng tạo theo phương pháp tư duy sáng tạo TRIZ.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hiệu quả Hall và vài suy nghĩ về tính sáng tạo của sinh viên đại học Hiệu ứng Hall và vài suy nghĩ về tính sáng tạo của sinh viên Ðại học Ở đại học việc tự học của sinh viên đóng vai trò rất quan trọng. M ột trong những nguồn kích thích sự tự học chính là việc nghiên cứu khoa h ọc. Không đâu xa, ngay trong chính những kiến thức chúng ta học hàng ngày v ẫn còn vô s ố nh ững đi ều c ần t ư duy, cần sự nghiên cứu. Thực tế không ít những gi ải thương Nobel bắt nguồn từ những câu hỏi “ngớ ngẫn” của sinh viên. Bài viết sau được phỏng d ịch m ột ph ần c ủa bài báo “ A Topological Look at the Quantum Hall Effect” đăng trên tạp chí Physics Today – August 2003. Hiệu ứng này các bạn được học trong môn “Nh ập môn v ật lý chât rắn” và chắc các bạn không ngờ là nó được tìm ra bởi c ậu sinh viên Hall, và gi ải thưởng Nobel năm 1985 đã trao cho hiệu ứng Hall lượng tử …. Câu chuyện về hiệu ứng Hall bắt đầu từ một sai lầm của James Clerk Maxwell (1831-1879) Trong cuốn “Luận về thuyết Điện từ” xuất bản lần đầu tiên năm 1873, Maxwell đã thảo luận về sự thay đổi dòng điện dưới tác dụng của từ trường. Trong đó ông cho rằng: “Cần đặc biệt lưu ý rằng lực (gây ra bởi điện trường) đặt lên dây dẫn sẽ không tác dụng trực tiếp lên dòng điện mà tác động lên dây dẫn mang dòng điện đó.” Năm 1878, Edwin Herbert Hall (1855 - 1938), một sinh viên của trường ĐH Johns Hopkins, đọc quyển sách trên trong một khóa học do giáo sư Henry Rowland (1848- 1901) dạy. Hall hỏi ý kiến Rowland về nhận xét c ủa Maxwell. Vị giáo sư này tr ả l ời rằng ông “nghi ngờ tính xác thực của kết luận đó của Maxwell và ông cũng đã t ừng vội vã tiến hành một thí nghiệm kiểm chứng… và đã không thành công.” Hall quyết định tiến hành một cuộc thí nghiệm khác theo cách khác nhằm đo lường t ừ trở (magneto-resistance), có nghĩa là đo sự thay đổi của đi ện tr ở theo t ừ tr ường đ ặt vào. Như ngày nay chúng ta đã biết, đó là một cuộc thí nghiệm phức tạp h ơn thí nghiệm của giáo sư Rowland nhiều, và cũng đã thất bại. Có vẻ như khẳng đ ịnh c ủa Maxwell là đúng. Tuy nhiên, sau đó Hall quyết định làm lại thí nghiệm của Rowland. Theo sự chỉ dẫn của người thầy giàu kinh nghiệm này, Hall thay thế dây dẫn kim lo ại ban đầu bằng một lá vàng mỏng. Việc này đã bù lại cho m ột thi ếu sót c ủa thí nghi ệm Rowland. Nguyên nhân ở chổ lúc đó chỉ có thể tạo ra từ trường yếu trong điều ki ện phòng thí nghiệm. Vì vậy hiệu ứng chỉ có thể quan sát được nếu kim loại dẫn điện rất tốt như vàng. Và đúng như vậy, điều đó đã làm nên chuyện. Bi ểu đồ do Hall lập ra đ ể kh ảo sát mà giờ đây được coi là hiệu ứng Hall được trình bày ở trong bất kỳ cu ốn sách giáo khoa nào về lý thuyết chất rắn.. Hall nhận thấy rằng trái ngược với khẳng đ ịnh c ủa Maxwell, từ trường luôn làm thay đổi sự phân bố điện tích, và vì vậy làm lệch kim của điện kế nối với các mặt bên của dây dẫn điện. Hiệu điện thế ngang gi ữa các m ặt được gọi là điện thế Hall. Độ dẫn điện Hall về bản chất chính là bằng cường độ dòng điện theo chiều dọc chia cho điện thế ngang này. Phát hiện này đã mang lại cho Hall một chỗ làm tại trường Harvard. Công trình c ủa ông được xuất bản năm 1879, năm Maxwell m ất vào tuổi 48. Hai năm sau đó, sách c ủa Maxwell được tái bản lần hai vào năm 1881, trong đó có một chú thích lịch sự ở cuối trang của nhà xuất bản là: “Ông Hall đã phát hiện rằng một từ trường ổn định có thể làm thay đổi chút ít sự phân bố dòng điện trong phần lớn các dây d ẫn, vì v ậy tuyên b ố của Maxwell chỉ được xem như là gần đúng.” Ở đây chúng ta thấy rằng cường độ và ngay cả dấu của điện thế Hall phụ thuộc vào tính chất của nguyên liệu làm nên dây dẫn – lá vàng mỏng trong thí nghi ệm c ủa Hall. Điều này đã làm cho hiệu ứng Hall trở thành một công cụ dự đoán quan trọng trong việc khảo sát các hạt dẫn mang điện. Ví dụ như việc đưa đến lý thuyết về lỗ trống tích điện dương như là hạt mang điện trong chất rắn. Mặc dù Maxwell đã sai lầm, ông cũng đã khơi dậy một nghiên cứu thành công và có ý nghĩa vô cùng to lớn trong vật lý. Một thế kỷ sau, hiệu ứng Hall lại được chú ý như nguồn sinh lực cho các nghiên cứu vật lý mới. Năm 1980, tại phòng thí nghiệm từ trường m ạnh Grenoble t ại Pháp, Klaus Von Klitzing (sinh năm 1943, giải Nobel năm 1985) nghiên cứu điện dẫn Hall cho khí điện tử hai chiều ở nhiệt độ rất thấp. Ông ta tìm thấy rằng , xét v ề bản chất, thì đi ện dẫn Hall là hàm của cường độ từ trường vuông góc với mặt phẳng c ủa khí đi ện t ử và được mô tả dưới dạng đồ thị hình bậc thang của các đo ạn ngang liên t ục. V ới m ột đ ộ chính xác hoàn toàn bất ngờ, những giá trị liên tiếp tăng dần c ủa đi ện d ẫn Hall luôn là bội số nguyên của một hằng số cơ bản tự nhiên: e2/h = 1/ (25 812.807 572 Ω) bất kể những chi tiết hình học khác nhau của thí nghiệm hay những điểm không thu ần chất của vật liệu dùng làm thí nghiệm. Klaus Von Klitzing đã đo ạt gi ải Nobel v ật lý năm 1985 vì đã khám phá ra hiệu ứng lượng tử Hall và độ chính xác c ủa hi ệu ứng này đã cung cấp cho các nhà đo lường h ...