Giải nobel về vật lý năm 2003

Giải Nobel về Vật lý năm 2003 Đỗ Quốc Hùng Một năm được mùa của vật lý nhiệt độ thấp Ngày 7 tháng 10 vừa qua, Viện Hàn lâm khoa học Thụy Điển đã chính thức công bố: Giải Nobel vật lý năm 2003 trị giá 1,3 triệu đô-la Mỹ sẽ được trao cho ba nhà vật lý là Aleksei A. Abrikosov (hiện đang làm việc tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Illinois – Mỹ), Vitalii L. Ginzburg (hiện làm việc tại Viện Vật lý Lêbêđép, Viện Hàn lâm Khoa học Nga) và Anthonny J. Leggett (hiện là Giáo sư Đại học Tổng hợp Illinois – Mỹ) “vì những đóng góp có tính tiên phong đối với các lý thuyết về hiện tượng siêu dẫn (superconductivity) và siêu chảy (superfluidity)”. Hiện tượng siêu dẫn là hiện tượng điện trở của một số vật rắn đột ngột giảm về 0 khi nhiệt độ của chúng giảm xuống dưới một nhiệt độ ngưỡng nhất định gọi là nhiệt độ tới hạn. Hiện tượng siêu dẫn có ý nghĩa thực tiễn vô cùng to lớn đối với khoa học và công nghiệp hiện đại. Có thể nêu ra những ví dụ như : truyền tải điện năng và dữ liệu không có tổn hao; nam châm siêu dẫn với từ trường siêu mạnh; sensor siêu nhạy dựa trên hiện tượng giao thoa lượng tử; máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân MRI - Magnetic Resonance Imaging (Cũng cần nói rằng hai nhà sáng chế ra máy chụp cắt lớp cộng hưởng từ hạt nhân năm nay cũng được nhận giải thưởng Nobel nhưng về sinh học và y học). Một trong những ứng dụng gây ấn tượng nhất của hiện tượng siêu dẫn - đó là những tàu hoả siêu tốc chạy trên đệm từ hoạt động dựa trên hiệu ứng Meissner, còn gọi là hiệu ứng bay lơ lửng trong từ trường. Hiện tượng siêu chảy là hiện tượng độ nhớt của một số chất lỏng giảm đột ngột về 0 ở nhiệt độ rất thấp. Kết quả là chất lỏng đó có thể chảy hoàn toàn tự do mà không hề chịu một sức cản nào. Việc khảo sát hiện tượng siêu chảy cho phép đi sâu nghiên cứu những quá trình xảy ra bên trong vật chất khi nó ở trạng thái có năng lượng thấp nhất và có trật tự cao nhất. Vài nét về lịch sử phát minh và nghiên cứu hiện tượng siêu dẫn và hiện tượng siêu chảy Lịch sử của cả hai “Hiện tượng Nobel” của năm nay đều được khởi đầu cùng với việc hoá lỏng thành công chất khí Hêli vào năm 1908 tại phòng thí nghiệm của H. Kamerlingh - Onnes ở Leiden (Hà Lan). Hầu như trong suốt 15 năm sau đó, phòng thí nghiệm này là nơi duy nhất có thể tạo được Hêli lỏng và có thể tiến hành những nghiên cứu trong lĩnh vực nhiệt độ thấp từ 4,2 đến 77K. Năm 1911, Kamerlingh - Onnes và đồng sự đã phát hiện thấy điện trở của thuỷ ngân giảm đột ngột về 0 khi nhiệt độ của nó xấp xỉ nhiệt độ sôi của Hêli. Hai năm sau, Kamerlingh - Onnes đã được trao giải thưởng Nobel về vật lý vì phát minh này. Cho đến nay, người ta đã phát hiện nhiều vật liệu siêu dẫn ở dạng hợp kim hoặc dạng gốm có nhiệt độ tới hạn khác nhau. Các chất siêu dẫn được chia làm hai loại: loại I và loại II. ở trạng thái siêu dẫn, các chất siêu dẫn loại I hoàn toàn không cho từ trường thấm vào sâu qua bề mặt của nó vào bên trong và là một chất nghịch từ lý tưởng. Chất siêu dẫn loại II chấp nhận sự hiện diện đồng thời của trạng thái siêu dẫn và từ trường mạnh và là loại chất siêu dẫn có nhiều ứng dụng kỹ thuật quan trọng. Lý thuyết giải thích hiện tượng siêu dẫn của chất siêu dẫn loại I được ba nhà vật lý người Mỹ là J. Bardeen, L.N. Cooper, R.J. Schrieffer đưa ra năm 1957. Theo lý thuyết BCS (gọi theo ba chữ đầu của tên các tác giả ) thì nguyên nhân làm xuất hiện hiệu ứng siêu dẫn là do hiện tượng tạo cặp electron trong chất siêu dẫn loại I ở nhiệt độ thấp. Sự tạo cặp electron này xảy ra được là nhờ tương tác của các electron với mạng tinh thể (còn gọi là thông qua tương tác electron - phonon), vì các electron mang điện cùng dấu nên bình thường không thể kết thành một đôi được. Cặp electron đó sẽ có spin nguyên (hạt bôzôn), có khả năng ngưng kết ở trạng thái lượng tử có mức năng lượng thấp nhất. Trong trạng thái siêu dẫn, các electron ghép đôi khi di chuyển bên trong tinh thể sẽ không tương tác các nút mạng, nghĩa là chất siêu dẫn khi đó chuyển tải dòng điện mà không có điện trở. Năm 1972, J. Bardeen, L.N. Cooper, R.J. Schrieffer đã được trao giải thưởng Nobel về vật lý. Tuy nhiên lý thuyết BCS không giải thích được cơ chế hiệu ứng siêu dẫn trong các chất siêu dẫn loại II, vì các electron ghép đôi bắt buộc sẽ đẩy từ trường ra khỏi khối chất siêu dẫn. Hiện tượng siêu chảy của hêli được nhà vật lý Xô viết P.L. Kapitsa phát minh năm 1938. Khi hạ nhiệt độ của hêli lỏng đến dưới 2,2 K, trong chất Hêli lỏng xuất hiện một pha mới gọi là pha Hêli siêu chảy, hay Hêli II (để phân biệt với hêli I là hêli lỏng ở trạng thái bình thường, không siêu chảy). Đặc điểm nổi bật của hêli II là độ nhớt của nó bằng không, nghĩa là nó hoàn toàn không chịu ma sát với thành ống mà nó chảy qua. Người ta đã làm thí nghiệm đo độ nhớt của hêli II bằng cách cho nó chảy qua một khe hẹp có chiều rộng chỉ bằng 0,5mm được tạo bởi hai tấm thuỷ tinh phẳng đã mài nhẵn, nhưng ngay cả trong điều kiện đó cũng không hề phát hiện thấy hêli II có một chút độ nhớt nào, tức là hêli siêu chảy có thể chảy qua khe hẹp đó một cách hoàn toàn tự do. Hiện tượng siêu chảy được giải thích dựa trên những tính chất đặc biệt của hêli ở trạng thái lỏng: hêli lỏng là một chất lỏng đặc biệt, chất lỏng lượng tử mà mỗi hạt của nó, nguyên tử đồng vị He-4, là một hạt có spin nguyên (trong tự nhiên, đồng vị He-4 chiếm hầu như 100% thành phần của hêli; đồng vị He-3 chỉ chiếm có 0,0001%). Trong những điều kiện nhất định, các hạt có spin nguyên (gọi là hạt bôzôn) có thể bị ngưng kết ở trạng thái với năng lượng thấp nhất và khi đó chúng sẽ không trao đổi năng, xung lượng với bên ngoài, có nghĩa là sẽ không chịu ma sát và ở vào trạng thái siêu chảy. Theo lý thuyết này, He-3 ở trạng thái lỏng không thể là một chất siêu chảy , vì nguyên tử đồng vị He-3 có spin bán nguyên, không phải là một hạt bôzôn. Những đóng góp có tính tiên phong của A.A. Abrikosov, V.L.Ginzburg và A.J. Leggett Là những nhà vật lý xuất chúng đã thành đạt từ khi còn rất trẻ (cả ba đều bảo vệ luận án Tiến sỹ và Tiến sỹ Khoa học ở tuổi dưới 30), nhưng được trao giải thưởng Nobel khi tuổi đã cao: Người “trẻ nhất” là A. J. Leggett – 65 tuổi, còn người cao tuổi nhất là V.L. Ginzburg – 87 tuổi, cả ba người đều là những chuyên gia nổi tiếng thế giới, có nhiều công trình nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau của vật lý học. Trong bài này chỉ kể một cách tóm lược về “những đóng góp mang tính tiên phong đối với các lý thuyết về hiện tượng siêu dẫn và siêu chảy” của họ. A. A. Abrikosov: Là người có công xây dựng lý thuyết giải thích tính siêu dẫn của các chất siêu dẫn loại II trên cơ sở phát triển lý thuyết Landau – Ginzburg. Ông đã xây dựng lý thuyết về sự bất ổn định trong các chất siêu dẫn (1957). Sự bất ổn định đó tương ứng với sự xuất hiện của một trạng thái hỗn hợp mà khi đó các pha siêu dẫn và pha không siêu dẫn cùng tồn tại. ở trạng thái đó, từ thông có thể thẩm thấu vào chất siêu dẫn thành những phần rời rạc (lượng tử). Các lượng tử này tạo thành cái gọi là “mạng các xoáy từ Abrikosov”. Chính trạng thái hỗn hợp này được hình thành trong các chất siêu dẫn loại II trong một khoảng giá trị nhất định của từ trường. V.L. Ginzburg: Ngay từ những năm 1940 đã cùng nhà vật lý Xô Viết lỗi lạc Landau xây dựng lý thuyết về siêu dẫn dựa trên lý thuyết về chuyển pha loại II của Landau và dựa trên quan niệm về thông số trật tự. Lý thuyết đó được công bố vào năm 1950 và hiện nay được gọi là lý thuyết Landau – Ginzburg hay “lý thuyết Psi” về siêu dẫn. Lý thuyết Landau – Ginzburg đã giải quyết được một loạt các vấn đề liên quan tới giải thích các tính chất của chất siêu dẫn loại I. Cùng với một số nhà vật lý khác, V.L. Ginzburg đã tìm kiếm những cơ chế khác dẫn đến hiện tượng siêu dẫn với hy vọng tìm được những chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Ngay từ những năm 1970, tức là trước khi G. J. Bednorz và K. A. Muller phát hiện ra chất siêu dẫn nhiệt độ cao đầu tiên cả chục năm, Ginzburg đã tiên đoán rằng có thể tạo được những chất siêu dẫn có nhiệt độ tới hạn trên 100 K, thậm chí bằng nhiệt độ phòng. Ông cũng đã chỉ ra con đường tìm kiếm các chất siêu dẫn nhiệt độ cao là phải dựa trên những tương tác trao đổi loại khác so với tương tác electron – phonon (chẳng hạn như dựa trên tương tác electron – exciton), vì với cơ chế tương tác electron – phonon khó có thể đạt được nhiệt độ tới hạn trên 100K. Hơn nữa, ông đã chỉ ra một cấu trúc mà ở đó có thể hy vọng tìm thấy siêu dẫn nhiệt độ cao là cấu trúc sandwich gồm một chất siêu dẫn được kẹp giữa hai chất bán dẫn. Những nghiên cứu và lời tiên tri của Ginzburg đã đem lại niềm tin cho không ít nhà nghiên cứu trên con đường tìm kiếm chất siêu dẫn nhiệt độ cao. A. J. Leggett A. J. Leggett là chuyên gia hàng đầu tầm cỡ thế giới trong lĩnh vực lý thuyết vật lý nhiệt độ thấp. Những nghiên cứu có tính đặt nền móng của ông đã giúp làm sáng tỏ nhiều vấn đề về siêu dẫn nhiệt độ cao và siêu chảy nhiệt độ thấp. Những năm 1970, ông đã xây dựng lý thuyết hoàn chỉnh về tương tác của các nguyên tử đồng vị He-3 ở nhiệt độ thấp và về tính siêu chảy của đồng vị hiếm này của Hêli. Theo lý thuyết đó, các nguyên tử He-3 bình thường không phải là hạt bôzôn, nhưng ở nhiệt độ thấp chúng có thể ghép đôi với nhau tương tự như các electron trong lý thuyết BCS để tạo thành các cặp nguyên tử có spin nguyên. Chất lỏng lượng tử He-3 mà ở đó các nguyên tử được ghép thành đôi ở nhiệt độ thấp phải có tính chất siêu chảy tương tự như đồng vị He-4. J. Bardeen, người hai lần được nhận giải thưởng Nobel vật lý đã từng nhận xét về A.J. Leggett như sau: “Chắc hẳn một ngày nào đó Leggett sẽ được nhận giải thưởng Nobel vì lý thuyết về chất siêu chảy He –3, nếu không thì cũng vì một phát minh khác trong tương lai.” Tiểu sử tóm tắt A.A. Abrikosov: Nhà vật lý Mỹ gốc Nga. Sinh năm 1928. Tốt nghiệp khoa vật lý Đại học Tổng hợp Mátxcơva mang tên M.V. Lômônôxốp năm 1948. Đã công tác tại Viện các vấn đề Vật lý (1948 –1965); Viện Vật lý lý thuyết mang tên L.D. Landau (1966-1988); Viện Vật lý áp suất cao mang tên L.F. Vereschagin (1989 –1991) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô. Bảo vệ luận án Phó tiến sĩ năm 1951; luận án Tiến sĩ Khoa học năm 1955. Viện sỹ viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô (1988). Giáo sư Đại học Tổng hợp Mátxcơva mang tên M.V. Lômônôxốp (1966). Từ năm 1991 làm việc theo hợp đồng ở Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne, Mỹ. V.L.Ginzburg: Nhà vật lý Nga. Sinh năm 1916. Tốt nghiệp khoa vật lý Đại học Tổng hợp Mátxcơva mang tên M.V. Lômônôxốp. Bảo vệ luận án Phó tiến sỹ năm 1940; luận án Tiến sĩ Khoa học năm 1942. Được bầu là Viện sỹ thông tấn Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô năm 1953, Viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô năm 1966. Liên tục từ năm 1940 đến nay công tác tại Phòng Vật lý lý thuyết mang tên I. E. Tamm, Viện Vật lý mang tên P. N. Lêbêđép thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, nay là Viện Hàn lâm Khoa học Nga. Giáo sư Trường Đại học Tổng hợp Góc-ki (1945 - 1961); Chủ nhiệm bộ môn Các vấn đề của Vật lý và Vật lý thiên văn Trường Kỹ sư Vật lý Mátxcơva (1968 đến nay). A. J. Legget: Nhà vật lý Mỹ gốc Anh. Sinh năm 1938. Bảo vệ luận án Tiến sĩ năm 1964 tại Đại học Tổng hợp Oxford (Anh). Năm 1964-1965 và 1967 tu nghiệp sau tiến sỹ tại Illinois (Mỹ). Giáo sư Trường Đại học Tổng hợp Sussex, Brighton, Anh (đến năm 1983). Từ năm 1983 là giáo sư Trường Đại học Tổng hợp Illinois, Urbana – Champaign (Mỹ). (từ trái sang phải: V. L. Ginzburg, A. A. Abrikosov, A. J. Legget)