Hiện tượng phát xạ
electron lạnh vẫn chưa có
lời giải thích thỏađáng
Ởnhững nhiệtđộ rất thấp, khi không có mặt ánh sáng, một bộnhân
quang sẽtự động phát ra các electron độc thân. Hiện tượng này, được gọi là
“sựphát xạelectron lạnh”, lầnđầu tiên được quan sát thấy cách nay gần 50
năm trước. Mặc dù các nhà khoa họcđã biết một vài nguyên nhân gây ra sự
phát xạelectron khi không có ánh sáng (còn gọi là tốcđộ tối) – bao gồm nhiệt,
điện trường, và bức xạion hóa – nhưng không có nguyên do nào trong sốnày
có thểgiải thích cho sựphát xạlạnh. Thường thì các nhà vật lí xem những sự
kiện electron tối này là phiền toái, vì mụcđích của một bộnhân quang là
phát hiện ra các photon bằng cách tạo ra các electron tương ứng là hệquả
hiệuứng quang điện.
Trong sựphát xạelectron lạnh, ban đầu khi nhiệtđộ giảm, tốcđộ tối giảm
theo. Nhưng ởkhoảng 220 K, tốcđộ tối là là không giảm nữa, và khi nhiệtđộ tiếp tục
giảm thì nó bắtđầu tăng trởlại. Ảnh: Meyer.
Trong một nghiên cứu gầnđây, Hans-Otto Meyer, một giáo sưvật lí tại
trường đại học Indiana, đã tiếp tục nghiên cứu sựphát xạelectron bằng cách thực
hiện các thí nghiệm cho thấy các dòng electron phát ra được phân bốnhưthếnào
theo thời gian. Kết quảcủa ông cho biết các electron được phát ra theo đợt xảy ra
một cách ngẫu nhiên, mặc dù trong mộtđợt các electron được phát ra theo một
kiểu kì cục, có tương quan với nhau. Ông đề xuất rằng các tương quan đó xác nhận
một sốloại cơchếbắt giữ, nhưng hành trạng bất thường đó không phù hợp với bất
kì quá trình phát xạtựphát nào đã biết hiện nay. Chí ít là ởthờiđiểm hiện tại,
dường nhưchẳng có lời giải thích vật lí nào cho những quan sát đó.
“Sựphát xạlạnh là một hiện tượng vật lí bất chấp sựgiải thích”, Meyer phát
biểu với PhysOrg.com. “Cơsởvật lí giải thích cho nó có thểhoặc không thểlà cơ
bản, chỉtương lai mới biếtđược. Các bộnhân quang tình cờmang lại môi trường
trong đó hiện tượng này có thể được quan sát thấy, nhưng tôi ngờrằng công trình
nghiên cứu của mình sẽcó tầm quan trọng to lớnđối với những người sửdụng các
bộnhân quang”.
Trong những thí nghiệm của ông, Meyer đặt mộtống nhân quang bên trong
một bính chứa rỗng, sau đó ông dìm chúng trong hydrogen hoặc helium lỏng. Sử
dụng bức xạlàm lạnh, ông làm lạnh bộnhân quang xuống đến nhiệtđộ 80 K (-193°
C) sau khoảng chừng một ngày, và xuông 4 K (-269° C) trong một ngày khác. Với
cách bốtrí nhưthếnày, ông có thểphát hiện ra những sựkiện tối lạnh lẽo, chúng
tỏra là bịgây ra bởi các electron độc thân phát ra từca tốt củaống nhân quang.
Nhưnghiên cứu trướcđây cho thấy, bắtđầu từnhiệtđộ phòng, tốcđộ tối
giảm khi nhiệtđộ giảm, nhưng chỉgiảm tới mộtđiểm nào đó. Dưới khoảng 220 K (-
53° C), tốcđộ tối là là không giảm nữa. Nếu tiếp tục làm lạnh, thì nó bắtđầu tăng,
và tiếp tục tăng ít nhất là xuống tới 4 K (-269° C), nhiệtđộ thấp nhất mà Meyer có
được dữliệu. Đa sốthí nghiệm của Meyer được thực hiệnởnhiệtđộ khoảng 80 K
(-193° C).
Trong các thí nghiệm của ông, Meyer nhận thấy các electron được phát ra
thành “đợt” – vô sốelectron vọt ra xuất hiện gần nhau theo thời gian. Mặc dù
những đợt này xảy ra ngẫu nhiên, nhưng chúng tồn tại trong những khoảng thời
gian khác nhau, với sựphân bốthời gian kéo dài của chúng tuân theo mộtđịnh
luật hàm mũ. Ngoài ra, Meyer nhận thấy từng sựkiện phát electron riêng lẻtrong
mộtđợt có tương quan cao với nhau. Đặc biệt, trong mộtđợt, các sựkiện lúc đầu
xảy ra nhanh chóng, sau đó càng lúc càng kém thường xuyên hơn khi đợt phát “tàn
lụiđi”.
Các electron phát ra thành từng đợt kéo dài trong những khoảng thời gian
khác nhau, với sựphân bốthời gian tồn tại của chúng tuân theo mộtđịnh luật hàm
mũ.Ảnh: Meyer.
Có lẽquan sát sau cùng này vềnhững khoảng thời gian từtừlâu hơn giữa
các sựkiện phát electron trong mộtđợt là có sức hấp dẫn nhất. Meyer đề xuất rằng
sựphân bốkì lạnày của các sựkiện có thểlà kết quảcủa một cơchếbắt giữ. Nếu
bịbắt lại trong một cái bẫy, một electron có thểhoặc thoát ra khỏi bẫy (để quan sát
thấy là một sựkiện tối) hoặc nó có thểtái kết hợp với một lỗtrống. Khi một cái bẫy
electron trống dầnđi, thì tốcđộ phát xạsẽtỉlệvới sốlượng electron còn lại bên
trong bẫy. Kịch bản này có thểgiải thích sựxuất hiện ban đầu của các sựkiện trong
mộtđợt, sau đó là một vài electron còn lại tiếp tục nhỏgiọt ra.
Phù hợp với những quan sát trướcđây vềcác tương quan giữa nhiệtđộ và
tốcđộ tối, tốcđộ phát xạelectron trong các thí nghiệm của Meyer còn bị ảnh
hưởng bởi nhiệtđộ. Khi nhiệtđộ giảm, cảtốcđộ các đợt phát và sốlượng sựkiện
trên mỗiđợt tăng lên. Việc quan sát thấy tốcđộ phát xạtăng khi nhiệtđộ giảm như
thếnày phù hợp tốt giảthuyết bắt giữ, trong đó nó sẽlà hệcủa sựtái kết hợp trở
nên kém quan trọng hơn, mang lại nhiều electron hơn thoát ra khỏi bẫy.
NhưMeyer lưu ý, một quá trình trởnên có khảnăng xảy ra hơn khi nhiệtđộ
giảm, nhưsựphát xạelectron lạnh, là rất bất thường trong vật lí học. Trong số
những quan sát thú vịcủa ông là tốcđộ phát xạlạnh không phụthuộc vào việc
dụng cụ đang lạnh đi hay đang ấm lên, mà chỉphụthuộc vào nhiệtđộ tức thời. Nói
chung, các tính chất của sựphát xạelectron lạnh không phù hợp với bất kì quá
trình phát xạtựphát nào khác đã biết, bao gồm sựphát xạnhiệt, phát xạtrường,
sựphóng xạ, hay các bức xạ đâm xuyên nhưtia vũtrụ. Thí dụ, không giống nhưcác
quá trình phát xạnhiệt và phát xạtrường đã biết rõ, sựphát xạlạnh không phụ
thuộc vào điện trường tại bềmặt phát ra. Ít nhất là cho tới nay, hiện tượng phát xạ
electron lạnh vẫn còn là một bí ẩn.
“Tựnhiên ởnhững nhiệtđộ rất thấp có rất nhiều bất ngờ”, Meyer nói. “Tôi
không muốn biện hộxem lời giải thích của sựphát xạlạnh sẽlà cái gì, nhưng tôi sẽ
không ngạc nheien nếu cấu trúc dải của các chất bán dẫn giữmột vai trò quan
trọng nào đó”.
Ông nói thêm rằng bước tiếp theo của ông sẽlà nghiên cứu xem hiệuứng
này phổbiến nhưthếnào.
“Liệu có sựphát xạlạnh từcác bềmặt khác ngoài ca tốt của một bộnhân quang
hay không? Đây là câu hỏi tiếp theo cầnđược trảlời bằng một thí nghiệm. Hi vọng
sẽsớm có những mô hình lí thuyết dẫn tới những dự đoán có thểkiểm tra được
trong những thí nghiệm tương lai”, Meyer nói.