SỰ KIỆN NOBEL VẬT LÝ 1996

Giải Vật lý Nobel năm 1996 được trao cho các giáo sư người Mỹ David M. Lee tại Đại học Cornell ở Ithaca (New York, Mỹ), Douglas D. Osheroff tại Đại học Stanford ở Stanford (California, Mỹ) và Robert C. Richardson tại Đại học Cornell ở Ithaca (New York, Mỹ) “do phát minh của họ về tính siêu lỏng của heli-3”.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
SỰ KIỆN NOBEL VẬT LÝ 1996 GIẢI NOBEL VẬT LÝ 1996 Giải Vật lý Nobel năm 1996 được trao cho các giáo sư người Mỹ David M. Leetại Đại học Cornell ở Ithaca (New York, Mỹ), Douglas D. Osheroff tại Đại họcStanford ở Stanford (California, Mỹ) và Robert C. Richardson tại Đại học Cornell ởIthaca (New York, Mỹ) “do phát minh của họ về tính siêu lỏng của heli-3”. Khi nhiệt độ hạ thấp vào một ngày đông lạnh giá, hơi nước trở thành nướcvà nước trở thành băng. Những sự chuyển pha này và những trạng thái thay đổicủa vật chất có thể được mô tả nhờ vật lý cổ điển. Khi nhiệt độ giảm, điều xảy ra làkhông còn chuyển động nhiệt hỗn loạn trong các chất khí, chất lỏng và chất rắn.Nhưng tình hình sẽ trở nên hoàn toàn khác khi nhiệt độ tiếp tục giảm và tiến đếnkhông độ tuyệt đối (hay -273, 150C). Trong các mẫu heli lỏng xảy ra cái gọi là hiệntượng siêu lỏng. Vật lý cổ điển không thể giải thích được hiện tượng này. Khi mộtchất lỏng trở thành siêu lỏng, các nguyên tử của chất lỏng bỗng dưng mất toàn bộsự hỗn độn của chúng và chuyển động theo một cách phối hợp trong từng chuyểnđộng. Điều này làm cho chất lỏng mất toàn bộ ma sát trong. Khi đó chất lỏng có thểchảy qua các lỗ rất bé và thể hiện một loạt các hiệu ứng không cổ điển khác. Để thuđược hiểu biết cơ bản về các tính chất của một chất lỏng như vậy cần phải nhờ đếnvật lý lượng tử và các chất lỏng rất lạnh này do đó được gọi là các chất lỏng lượngtử. Bằng cách nghiên cứu các tính chất của các chất lỏng lượng tử một cách chi tiếtvà so sánh chúng với các dự đoán của vật lý lượng tử nhiệt độ thấp, các nhà nghiêncứu có thể cung cấp thông tin cơ bản để mô tả vật chất ở mức vi mô. Đầu những năm 1970 tại phòng thí nghiệm nhiệt độ thấp ở Đại học Cornell,Lee, Osheroff và Richardson đã phát hiện thấy rằng một đồng vị của heli là heli-3có thể trở thành siêu lỏng tại một nhiệt độ chỉ khoảng hai phần nghìn độ trênkhông độ tuyệt đối. Chất lỏng lượng tử siêu lỏng này khác hẳn với chất lỏng lượngtử siêu lỏng mà người ta phát hiện thấy vào những năm 1930 ở nhiệt độ khoảnghai độ (cao hơn một nghìn lần) trong một đồng vị khác của heli là heli-4. Chất lỏnglượng tử mới (heli-3) có những tính chất rất đặc biệt chẳng hạn như các định luậtlượng tử của vật lý vi mô thỉnh thoảng cũng trực tiếp chi phối dáng điệu của cácvật vĩ mô. Không khí mà chúng ta hít thở không chỉ chứa oxi và nitơ mà còn chứa cáckhí khác nữa trong đó có khí heli mặc dù rất nhỏ. Trong tự nhi ên, khí trơ heli tồntại ở hai dạng gọi là các đồng vị với các tính chất khác nhau một cách cơ bản. Đồngvị nặng hơn là heli-4 và đồng vị nhẹ hơn là heli-3. Hầu như toàn bộ heli là heli-4.Còn heli-3 chỉ chiếm một phần rất nhỏ (khoảng một phần triệu tổng số heli). Heli-4có một hạt nhân với hai proton và hai neutron (tổng số nucleon là 4). Hạt nhânđược bao quanh bởi một lớp vỏ electron với hai electron. Do số hạt cấu thành lênnguyên tử heli-4 là chẵn nên nguyên tử heli-4 là một boson. Hạt nhân của heli-3cũng có hai proton nhưng chỉ có một neutron. Lớp vỏ electron của nguyên tử heli-3 cũng có hai electron và do đó nguyên tử heli-3 có chứa một số lẻ hạt. Vì thếnguyên tử heli-3 là một fermion. Do hai đồng vị này của heli được được cấu thànhtừ số hạt khác nhau nên chúng có dáng điệu khác nhau khi chúng được làm lạnhtới các nhiệt độ gần không độ tuyệt đối. Các boson như heli-4 tuân theo thống kê Bose-Einstein. Trong các điều kiệnnào đó, chúng ngưng tụ ở trạng thái có năng lượng nhỏ nhất. Quá trình chuyển phatrong đó xảy ra điều đó được gọi là sự ngưng tụ Bose-Einstein. Người đầu tiên làmlạnh khí heli-4 đến các nhiệt độ thấp sao cho nó hóa lỏng là Heike Kamerlingh-Onnes (Giải Nobel Vật lý năm 1913). Điều này xảy ra vào đầu những năm 1900.Thậm chí khi đó Kamerlingh-Onnes lưu ý rằng khi nhi ệt độ tiến đến khoảng 2 độtrên không độ tuyệt đối, trong chất lỏng xảy ra một điều đặc biệt gì đó. Nhưng phảiđến cuối những năm 1930 Pjotr Kapitsa (Giải Nobel Vật lý năm 1978) bằng thựcnghiệm mới phát hiện được hiện tượng siêu chảy trong heli-4. Hiện tượng này lúcđầu được Fritz London giải thích một cách có hệ thống và sau đó được Lev Landau(Giải Nobel Vật lý năm 1962) giải thích một cách chi tiết. Các giải thích dựa trên cơsở thực tế là chất lỏng siêu lỏng mà nó xuất hiện tại một chuyển pha khi nhiệt độ là2,170 trên không độ tuyệt đối là một loại ngưng tụ Bose-Einstein của các nguyêntử heli. Các fermion như heli-3 tuân theo thống kê Fermi-Dirac và thực tế không bịngưng tụ ở trạng thái năng lượng thấp nhất. Do đó, sự siêu lỏng không xảy ra trongheli-3 giống như trong heli-4, nghĩa là heli-3 không thể hóa lỏng ở một nhiệt độkhoảng một vài độ trên không độ tuyệt đối. Nhưng các fermion thực tế có thể bịngưng tụ nhưng theo một cách phức tạp hơn. Điều này đã được đề xuất trong lýthuyết BCS đối với siêu dẫn trong các kim loại. Lý thuyết này do John Bardeen,Leon Cooper và Robert Schrieffer (Giải Nobel Vật lý năm 1972) thiết lập. Lý thuyếtBCS dựa trên cơ sở thực tế là electron là một fermion (nó chỉ có một hạt tức là nóchỉ có một số lẻ hạt) và do đó tuân theo thống kê Fermi-Dirac giống như heli-3.Nhưng các electron trong các kim loại được làm lạnh mạnh có thể kết hợp thànhtừng đôi gọi là cặp Cooper và do đó có dáng điệu như các boson. Các cặp Cooper cóthể tạo ra một sự ngưng tụ Bose-Einstein. Xuất phát từ kinh nghiệm tạo ra siêulỏng trong heli-4 và siêu dẫn trong các kim loại, người ta hi vọng rằng các fermiontrong chất lỏng heli-3 sẽ có khả năng tạo ra các cặp boson và sự siêu lỏng có thểthu được trong các mẫu rất lạnh của đồng vị heli-3. Mặc dù nhiều nhóm nghiêncứu đã xem xét vấn đề này trong nhiều năm (đặc biệt là trong những năm 1960)nhưng không có nhóm nào thành công và nhiều người cho rằng không thể tạo rahiện tượng siêu lỏng trong heli-3. David Lee, Douglas Osheroff và Robert Richardson đã sử dụng một vàixangtimet khối heli-3 lỏng để tiến hành các thực nghiệm mà chúng dẫn đến phátminh ...