Ngoài khối lượng, điện tích và spin ra, các electron còn có một tính chất thứ tư như các lí thuyết vật lí hiện nay tiên đoán hay không? Các nhà nghiên cứu ở Đức, Cộng hòa Czech và Mĩ muốn đi tìm câu trả lời cho câu hỏi cơ bản này của vật lí học. Để cải thiện độ chính xác của các phép đo trước đây, họ đã tạo ra một chất liệu mới với sự hỗ trợ của siêu máy tính Julich JUROPA.
Các nhà khoa học đã tạo ra một chất liệu ceramic mới với sự hỗ trợ của siêu máy tính Julich JUPORA. Ảnh: Forschungszentrum Juelich
Electron là những hạt sơ cấp tích điện âm. Chúng tạo ra lớp vỏ bao xung quanh các nguyên tử và ion. Đó là điều bạn đã học được ở trường phổ thông. Tuy nhiên, đã từ rất sớm, người ta biết rằng thông tin này cần được bổ sung thêm. Lí do là nhiều nhà vật lí tin rằng các electron có một mômen lưỡng cực điện vĩnh cửu. Một mômen lưỡng cực điện thường sinh ra khi các điện tích dương và âm bị phân cách trong không gian.
Tương tự như các cực bắc và nam của một nam châm, có hai loại điện cực. Trong trường hợp các electron, tình huống phức tạp hơn nhiều vì các electron thật ra không có chiều kích không gian nào cả. Dẫu vậy, toàn bộ các lí thuyết vật lí vượt khỏi mô hình chuẩn của vật lí hạt sơ cấp đều xây dựng trên sự tồn tại của mômen lưỡng cực đó. Các lí thuyết này hóa ra có thể giải thích làm thế nào vũ trụ ở dạng như chúng ta biết ngày nay có thể được tạo ra trong những thời khắc đầu tiên. Theo các lí thuyết đang thịnh hành, Vụ nổ Lớn xảy ra cách nay chừng 13,7 tỉ năm trước đã phải tạo ra lượng vật chất và phản vật chất nhiều ngang nhau. Vì hai đối tượng này hủy lẫn nhau, nên sẽ chẳng còn lại gì. Tuy nhiên, trên thực tế, có nhiều vật chất hơn phản vật chất đã được tạo ra. Một mômen lưỡng cực điện của electron có thể giải thích được sự mất cân bằng này.
Cho đến nay, chưa có ai từng chứng minh thành công sự tồn tạo của mômen lưỡng cực nhỏ xíu trên lí thuyết này. Các phương pháp hiện nay đơn giản là không đủ nhạy. Tuy nhiên, một miếng ceramic nhỏ sẽ có thể sớm làm thay đổi cục diện này. Tiến sĩ Marjana Ležaić và tiến sĩ Konstantin Rushchanskii tại Viện Vật lí Chất rắn ở Forschungszentrum Jülich, cùng với giáo sư Nicola Spaldin tại trường Đại học California ở Santa Barbara, đã thiết kế ra miếng ceramic này, với các tính chất rất đặc biệt, trong một phòng thí nghiệm ảo, sử dụng siêu máy tính JUPORA. Chất liệu europium barium titanate mới đó sẽ cho phép các phép đo nhạy hơn 10 lần so với trước đây. Theo các nhà vật lí Julich, độ nhạy này có thể đủ để tìm ra mômen lưỡng cực điện của electron.
Vì mômen lưỡng cực điện không thể đo trực tiếp, nên các nhà vật lí đang làm việc với các nhà khoa học ở trường Đại học Yale, Hoa Kì, và các viện nghiên cứu Czech ở Ptague, để chứng minh gián tiếp sự tồn tại của nó. Các nhà nghiên cứu ở Yale đã phát triển một cơ cấu thí nghiệm sử dụng một từ kế giao thoa SQUID cực nhạy để đi sự từ hóa của miếng ceramic trong một điện trường. Mục tiêu của họ là chứng minh một sự thay đổi ở sự từ hóa khi điện trường bị đảo ngược lại. Đây đồng thời sẽ là bằng chứng rằng tồn tại mômen lưỡng cực điện. Trong một electron, một lưỡng cực điện chỉ có thể định hướng song song hoặc đối song với spin electron. Trong một điện trường, đa số electrond dịnh hướng sao cho mômen lưỡng cực của chúng song song với trường. Số electron định hướng khác thì ít hơn. Điều này sẽ dẫn tới một sự từ hóa có thể đo được. Nếu điện trường đảo hướng ngược lại, thì các mômen lưỡng cực của các electron bị đảo ngược, dẫn tới một sự thay đổi đồng thời, có thể đo được, ở sự từ hóa. Mặt khác, nếu không có mômen lưỡng cực điện, thì sự từ hóa sẽ giữ nguyên không đổi.
Rất khó tìm ra một chất liệu thích hợp bằng phương pháp thử-sai. Chất liệu này phải có sự kết hợp không bình thường của các tính chất: nồng độ các ion từ cao, sự mất trật tự từ ở nhiệt độ dưới bốn độ Kelvin và một sự phân cực điện có thể đảo ngược lại. Ležaić cho biết các đồng nghiệp của bà ở Yale đã đi đến ý tưởng và thực hiện các phép đo để kiểm tra những chất liệu khác nhau. Tuy nhiên, một chất liệu mới với toàn bộ những tính chất cần thiết có thể tìm thấy nhanh hơn với việc sử dụng phân tích lí thuyết và các mô phỏng trên máy tính. Nhóm hợp tác của Ležaić đã tổng hợp ảo và phân tích europium barium titanate trên siêu máy tính ở Julich. Để làm như vậy, tất cả những gì họ cần là thành phần hóa học của nó và các phương trình cơ bản của cơ học lượng tử. Từ đây, họ đã tính ra sự tương tác giữa từng nguyên tử và electron và các tính chất từ địa phương. Từ đó, họ kết luận ceramic là chất liệu tối ưu.
Các nhà nghiên cứu ở Prague cũng đã tổng hợp và phân tích chất liệu trên trong phòng thí nghiệm và xác nhận các tính chất đã tính ra ở Julich. Duy chỉ có mômen lưỡng cực tìm kiếm lâu nay của electtron vẫn là chưa phát hiện ra. Các hiệu ứng không mong muốn vẫn cố hữu trong các phép đo, cho nên các nhà khoa học cần làm việc nhiều hơn nữa mới mong xác nhận được mômen lưỡng cực điện của electron là có hay không.
- Xuân Nguyễn (theo PhysOrg.com)
Leave a Reply