Hiện tượng phát xạ electron lạnh vẫn chưa có lời giải thích thỏa đáng potx

Hiện tượng phát xạ
electron lạnh vẫn chưa có
lời giải thích thỏa đáng
Ở những nhiệt độ rất thấp, khi không có mặt ánh sáng, một bộ nhân
quang sẽ tự động phát ra các electron độc thân. Hiện tượng này, được gọi là
“sự phát xạ electron lạnh”, lần đầu tiên được quan sát thấy cách nay gần 50
năm trước. Mặc dù các nhà khoa học đã biết một vài nguyên nhân gây ra sự
phát xạ electron khi không có ánh sáng (còn gọi là tốc độ tối) – bao gồm nhiệt,
điện trường, và bức xạ ion hóa – nhưng không có nguyên do nào trong số này
có thể giải thích cho sự phát xạ lạnh. Thường thì các nhà vật lí xem những sự
kiện electron tối này là phiền toái, vì mục đích của một bộ nhân quang là
phát hiện ra các photon bằng cách tạo ra các electron tương ứng là hệ quả
hiệu ứng quang điện.
Trong sự phát xạ electron lạnh, ban đầu khi nhiệt độ giảm, tốc độ tối giảm
theo. Nhưng ở khoảng 220 K, tốc độ tối là là không giảm nữa, và khi nhiệt độ tiếp tục
giảm thì nó bắt đầu tăng trở lại. Ảnh: Meyer.
Trongmộtnghiêncứugần đây, Hans-Otto Meyer,một giáo sư vật lí tại
trường đại học Indiana, đã tiếp tục nghiên cứu sự phát xạ electron bằng cách thực
hiện cácthí nghiệm cho thấy các dòngelectron phát ra được phânbố như thế nào
theo thời gian. Kết quả của ôngcho biết các electron được phátra theo đợt xảy ra
một cách ngẫu nhiên, mặc dù trong một đợtcác electron được phát ratheo một
kiểu kì cục, có tương quanvới nhau. Ông đề xuất rằng các tươngquanđó xácnhận
một số loại cơ chế bắt giữ, nhưnghành trạng bất thường đó không phù hợp với bất
kì quá trình phát xạ tự phátnào đã biết hiện nay. Chí ít là ở thời điểm hiện tại,
dườngnhư chẳng cólời giải thíchvật lí nào cho những quan sát đó.
“Sự phátxạ lạnhlà một hiện tượng vật lí bất chấp sự giải thích”, Meyer phát
biểuvới PhysOrg.com. “Cơ sở vật lí giải thích chonó có thể hoặc không thể là cơ
bản, chỉ tương lai mới biếtđược. Các bộ nhân quangtình cờ manglại môi trường
trong đó hiện tượngnày có thể được quan sát thấy, nhưng tôi ngờ rằng côngtrình
nghiêncứu của mình sẽ có tầm quantrọng to lớnđối với những người sử dụngcác
bộ nhân quang”.

Trongnhững thí nghiệm của ông, Meyerđặt một ốngnhân quang bên trong
một bínhchứa rỗng,sau đó ôngdìm chúng tronghydrogenhoặc helium lỏng. Sử
dụngbứcxạ làm lạnh,ông làmlạnh bộ nhân quangxuống đến nhiệt độ 80 K(-193°
C) saukhoảng chừng mộtngày, và xuông 4 K(-269° C) trong mộtngày khác. Với
cách bố trí như thế này, ông cóthể phát hiện ra nhữngsự kiện tối lạnh lẽo, chúng
tỏ ra là bị gâyra bởi các electron độc thân phátra từ ca tốtcủaốngnhân quang.
Như nghiên cứu trước đâycho thấy, bắtđầu từ nhiệt độ phòng,tốcđộ tối
giảm khinhiệt độ giảm, nhưng chỉ giảm tới mộtđiểm nào đó.Dưới khoảng 220 K(-
53° C), tốc độ tối làlà khônggiảm nữa. Nếu tiếptục làm lạnh,thì nó bắt đầu tăng,
và tiếp tục tăng ít nhất là xuống tới 4 K (-269° C), nhiệt độ thấp nhất màMeyercó
được dữ liệu. Đa số thí nghiệmcủa Meyerđược thực hiện ở nhiệt độ khoảng 80 K
(-193° C).
Trongcác thí nghiệm củaông,Meyer nhận thấycác electron được phát ra
thành “đợt” –vô số electron vọt ra xuất hiệngần nhau theo thời gian. Mặc dù
những đợt này xảy ra ngẫu nhiên, nhưngchúng tồn tạitrongnhững khoảng thời
gian khác nhau,với sự phân bố thời gian kéodài củachúng tuân theomột định
luật hàm mũ.Ngoài ra, Meyernhậnthấy từngsự kiện phát electron riêng lẻ trong
một đợtcó tương quan cao với nhau. Đặc biệt, trong một đợt, các sự kiện lúc đầu
xảy ra nhanhchóng,sauđó càng lúc càng kém thường xuyên hơnkhi đợt phát“tàn
lụi đi”.
Các electron phát ra thành từng đợt kéo dài trong những khoảng thời gian
khác nhau, với sự phân bố thời gian tồn tại của chúng tuân theo một định luật hàm
mũ. Ảnh: Meyer.
Có lẽ quansát saucùng này về những khoảng thờigian từ từ lâuhơn giữa
các sự kiện phát electron trong một đợt là cósức hấp dẫn nhất.Meyer đề xuất rằng
sự phânbố kì lạ này của các sự kiệncó thể làkết quả của mộtcơ chế bắt giữ. Nếu
bị bắt lại trong một cái bẫy, một electroncóthể hoặc thoát ra khỏi bẫy (để quansát
thấylà mộtsự kiện tối) hoặc nó có thể táikết hợp với một lỗ trống. Khimột cái bẫy
electrontrống dần đi, thì tốc độ phát xạ sẽ tỉ lệ với số lượng electroncòn lại bên
trong bẫy. Kịch bản này có thể giải thích sự xuất hiệnban đầu củacác sự kiện trong

một đợt,sau đó làmộtvài electroncòn lại tiếp tục nhỏ giọt ra.
Phù hợp với nhữngquan sát trước đây về cáctương quangiữa nhiệtđộ và
tốc độ tối, tốc độ phát xạ electrontrongcác thínghiệm của Meyercòn bị ảnh
hưởngbởi nhiệtđộ.Khi nhiệt độ giảm, cả tốc độ các đợt phát và số lượng sự kiện
trên mỗiđợt tănglên. Việcquansát thấytốc độ phátxạ tăng khi nhiệt độ giảm như
thế nàyphù hợp tốtgiả thuyết bắtgiữ, trong đó nó sẽ là hệ của sự tái kết hợptrở
nên kémquan trọng hơn, manglại nhiều electronhơnthoát ra khỏi bẫy.
Như Meyerlưu ý, một quá trình trở nêncó khả năng xảy ra hơn khinhiệt độ
giảm,như sự phát xạ electronlạnh,là rất bất thườngtrong vật lí học. Trongsố
những quansát thúvị của ông là tốc độ phát xạ lạnh không phụ thuộc vào việc
dụngcụ đanglạnhđi hayđang ấmlên, mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ tức thời. Nói
chung, các tínhchất của sự phát xạ electronlạnh không phùhợp với bất kì quá
trìnhphát xạ tự phátnào khác đã biết, bao gồm sự phát xạ nhiệt, phát xạ trường,
sự phóng xạ, hay các bức xạ đâm xuyên như tiavũ trụ.Thí dụ, không giống như các
quá trìnhphát xạ nhiệt và phát xạ trườngđã biết rõ, sự phát xạ lạnh khôngphụ
thuộcvào điện trường tại bề mặt phát ra. Ít nhất là cho tới nay, hiện tượng phát xạ
electronlạnh vẫncòn là một bí ẩn.
“Tự nhiên ở nhữngnhiệt độ rất thấp có rất nhiều bất ngờ”, Meyer nói. “Tôi
khôngmuốn biện hộ xem lờigiải thích của sự phátxạ lạnhsẽ là cái gì, nhưng tôi sẽ
khôngngạc nheiennếu cấu trúc dải của cácchấtbán dẫngiữ một vaitrò quan
trọng nào đó”.
Ông nói thêmrằng bước tiếp theo của ôngsẽ là nghiên cứu xem hiệu ứng
này phổ biến như thế nào.
“Liệu có sự phát xạ lạnh từ cácbề mặt khác ngoài ca tốt củamộtbộ nhân quang
hay không? Đây là câu hỏi tiếp theocần được trả lời bằng một thí nghiệm.Hi vọng
sẽ sớm có nhữngmôhìnhlí thuyết dẫn tới nhữngdự đoán có thể kiểmtra được
trong những thí nghiệm tương lai”, Meyer nói.