Hạt Fermion Weyl

Trích: https://dost-dongnai.gov.vn/Pages/noi-dung-tin-khcnnn.aspx?NewsID=4883&TopicID=8

Phát hiện hạt không khối lượng có thể tăng tốc triệt để các thiết bị điện tử

23-07-2015

Một hạt kỳ lại được nêu lý thuyết cách đây hơn 85 năm cuối cùng đã được tìm thấy. Được gọi là hạt Fermion Weyl, nó là một hạt lạ nhưng ổn định, không có trọng lượng, có hành vi vừa vật chất vừa phản vật chất bên trong một tinh thể và được tuyên bố là có thể tạo ra các electron hoàn toàn không có khối lượng. Các nhà khoa học tin rằng hạt mới này có thể dẫn tới các thiết bị điện tử siêu nhanh và sự thâm nhập đáng kể vào các lĩnh vực mới điện toán lượng tử. Các nhà khoa học vừa phát hiện ra hạt fermion Weyl (Ảnh: Đại học Princeton) Có 2 loại hạt tạo nên vũ trụ và mọi thứ bên trong nó là hạt fermion và hạt boson. Nói một cách đơn giản,fermion là tất cả những hạt cấu thành nên vật chất còn boson là tất cả các hạt mang lực. Thông thường các hạt fermion như electron có thể va chạm với nhau, mất năng lượng và không 2 hạt fermion nào có cùng trạng thái ở cùng vị trí cùng lúc. Tuy nhiên, hạt fermion Weyl không trọng lượng không có hạn chế như vậy. Hạt fermion Weyl lần được tiên được nêu ra vào năn 1929 bởi nhà vật lý và toán học Hermann Weyl, người đưa ra lý thuyết rằng các hạt fermion không khối lượng có thể mang điện tích có thể tồn tại. Không có khối lượng, Weyl tin rằng các electron tạo ra từ hạt fermion Weyl sẽ có khả năng di chuyển điện tích trong một mạch nhanh hơn nhiều so với electron thông thường. Thực tế, theo nghiên cứu mới nhất, dòng điện do các electron Weyl vận chuyển trong một môi trường thử nghiệm có thể đi tốt thiểu nhanh gấp đôi dòng điện được vận chuyển bởi các electron trong graphene và ít nhất nhanh hơn 1000 lần so với electron trong chất bán dẫn thông thường. Một nhóm nghiên cứu quốc tế do các nhà khoa học Đại học Princeton dẫn đầu đã nghiên cứu mấy chục kiểu bố trí tinh thể trước khi dừng lại ở tinh thể tantalum arsenide bất đối xứng (một chất bán kim loại có các thuộc tính của cả chất dẫn lẫn chất cách điện) như một ứng viên chính trong việc săn tìm hạt lý thuyết này. Các tinh thể tantalum arsenide quá khổ đầu tiên được đặt vào một chiếc kính hiển vi quang phổ hầm quét được làm lạnh đến gần 0 tuyệt đối để xác định xem liệu chúng có khớp với các thông số lý thuyết để chứa một hạt fermionn Weyl hay không. Sau đó, khi tinh thể đã vượt qua thử nghiệm, nhóm đưa vật liệu đến phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley của Mỹ ở California nơi các chùm photon năng lượng cao từ một máy gia tốc hạt được chiếu lên chúng. Thử nghiệm cuối cùng đã xác nhận sự hiện diện có thật của hạt fermion Weyl được tìm kiếm từ lâu. Su-Yang Xu từ Đại học Princeton cho biết: “Bản chất của nghiên cứu và cách nó nảy sinh thực sự khác biệt và thú vị hơn hầu hết các công trình khác mà chúng tôi từng thực hiện trước đây. Thông thường các nhà lý thuyết cho chúng tôi biết một hợp chất nào đó có thể biểu hiện một số thuộc tính mới hoặc thú vị, sau đó các nhà thực nghiệm chúng tôi phát triển mẫu và tiến hành thí nghiệm để kiểm tra dự đoán. Trong trường hợp này, chúng tôi tự đưa ra dự đoán lý thuyết và sau đó thực hiện thử nghiệm. Điều này làm cho thành công cuối cùng thậm chí lý thú và thỏa mãn hơn từng có”. Là một hạt quasi – tức là hạt tồn tại bên trong một chất rắn nhưng hoạt động như thể chúng là một hạt tương tác yếu trong không gian tự do – hạt Weyl không có trọng lượng và có mức độ di động cao. Lí do là vì khi spin vừa cùng hướng với chuyển động của nó (trong vật liệu gọi là thuận bên phải) vừa ngược hướng với hướng nó di chuyển (thuận bên trái) nên nó có thể đi tắt qua hoặc xung quanh chướng ngại vật cản trở các electron thông thường. “Như thể chúng có hệ thống GPS riêng và tự điều hướng mà không tán xạ”, nhà vật lý học Đại học Princeton Zahid Hasan nói. “Chúng di chuyển và chỉ di chuyển theo một hướng vì chúng hoặc thuận bên trái hoặc bên phải và không bao giờ có điểm dừng vì chúng có thể chui qua. Chúng cũng là những electron rất nhanh có hành vi giống chùm sáng một hướng và có thể sử dụng cho các dạng điện toán lượng tử mới. Weyl ban đầu cho rằng hạt fermion của ông là một phần của mô hình xen kẽ với thuyết tương đối đo Albert Einstein đề xuất. Và dù lý thuyết của Weyl thua kém Einstein nhưng ý tưởng của ông về hạt lý thuyết này vẫn tiếp tục trêu người các nhà vật lý nhiều năm sau đó. Tuy nhiên, vì đơn giản là một hạt “lý thuyết”, thậm chí khi những ý niệm mơ hồ về hạt fermion Weyl được phát hiện trong nhiều thập kỷ nhưng chúng vẫn bị cho là nhầm lẫn với bằng chứng về hạt neutrino. Nhận ra được vấn đề sau đó, bằng chứng thực sự về các hạt fermion Weyl trong hạt neutrino năm 1998 đã thực sự được phát hiện có khối lượng nhỏ. “Người ta hình dung rằng mặc dù thuyết của Weyl không thể áp dụng cho thuyết tương đối hay hại neutrino nhưng nó là một dạng cơ bản nhất của fermion và có tất cả các thuộc tính kỳ lạ và đẹp đẽ khác mà có thể có ích”, Hasan cho biết. “Sau hơn 80 năm, chúng tôi đã phát hiện rằng hạt fermionon này đã có ở đó và chờ đợi. Nó là khối xây dựng cơ bản nhất của tất cả các electron. Thật thú vị cuối cùng đã bắt nó phải lộ ra theo công thức lý thuyết 1929 của Weyl”. L.H (Gizmag)