Xác nhận hiệu ứng Hall lượng tử giúp định nghĩa lại kilogram

Kilogram hiện nay được định nghĩ bằng một cục kim loại ở Paris – nhưng nay các nhà nghiên cứu ở Anh, Pháp và Thụy Điển vừa xác nhận một giả định thiết yếu của một phương pháp mới định nghĩa chuẩn khối lượng trên dựa theo các hằng số cơ bản. Đặc biệt, họ vừa chứng tỏ rằng điện trở Hall lượng tử đo trong một chất bán dẫn và trong graphene là giống nhau với sai số tương đối 8,6 × 10-11. Điện trở này được cho bởi tỉ số của hằng số Planck (h) và bình phương điện tích electron (e) và có thể dùng để định nghĩa kilogram.

>> Tạm biệt kilogram
>> Kilogram được định nghĩa lại như thế nào?

Chuẩn kilogram chế tạo từ platinum và iridium, và đặt tại Cục Cân nặng và Đo lường Quốc tế (BIPM) ở Paris. Trong 60 năm qua, một số so sánh của chuẩn kilogram này với những bản sao giống hệt cho thấy khối lượng của nó đang thay đổi. Hệ quả là các nhà khoa học đã và đang đi tìm một phương pháp mới định nghĩa kilogram chỉ sử dụng những hằng số cơ bản.

Cách làm phổ biến nhất là thực hiện “cân watt”, so sánh trọng lượng của một vật với một lực điện từ. Một cái cân như vậy hoạt động trên giả thiết rằng tỉ số h/e2 là độc lập với chất liệu dùng để đo nó. Một cái cân watt sử dụng tỉ số này cùng với một phép đo điện trở Hall lượng tử để định nghĩa kilogram theo h.

Các electron trôi giạt

Hiệu ứng Hall là sự xuất hiện của một điện áp giữa hai mặt đối diện của một tấm kim loại khi một dòng điện đi qua theo chiều dài của nó. Hiệu ứng Hall đòi hỏi sự có mặt của một từ trường vuông góc với tấm kim loại. Từ trường làm cho các electron đang chuyển động trôi giạt về phía một mặt khi chúng đi qua tấm kim loại. Thông thường, xu hướng trôi giạt của các electron phụ thuộc vào các yếu tố như mật độ electron trong chất liệu và bề dày của tấm kim loại.

Hiệu ứng Hall lượng tử xảy ra trong các tấm mỏng đến mức chúng là hai chiều đối với các electron. Nếu một tấm kim loại như vậy chịu nhiệt độ rất thấp và từ trường cao, thì điện áp Hall bị lượng tử hóa ở những giá trị rời rạc có vẻ độc lập với chất liệu đang sử dụng. Khi so sánh điện áp Hall với cường độ dòng điện chạy qua chất dẫn, thì điện trở Hall thu được là h/Ne2, với N là một số nguyên.

Theo J T Janssen thuộc Phòng thí nghiệm vật lí quốc gia (NPL) ở Teddington, Anh quốc, không có một lí thuyết giải thích tại sao xảy ra như vậy; tuy nhiên, tất cả các thí nghiệm cho đến nay đều khớp với giá trị chung này cho điện trở Hall lượng tử. Nếu dịnh nghĩa lại của kilogram xây dựng trên hiệu ứng Hall lượng tử, thì sai số trong những thí nghiệm này thật sự phải rất chặt chẽ.

Định nghĩa hiện nay của kilogram (Ảnh: BIPM)

So sánh trực tiếp

Nay Janssen cùng các đồng nghiệp tại NPL, Đại học Chalmers và Đại học Linköping ở Thụy Điển, Đại học Lancaster ở Anh và BIPM vừa thực hiện một so sánh trực tiếp của hiệu ứng Hall lượng tử thuộc hai chất liệu rất khác nhau. Hai chất này là chất bán dẫn gallium–arsenide pha tạp chất để tạo ra một tấm hai chiều gồm các electron, và graphene – một lớp carbon chỉ dày một nguyên tử. Những thí nghiệm trước đây đã xác nhận rằng hai chất bán dẫn đó biểu hiện hiệu ứng Hall lượng tử giống nhau, nhưng nghiên cứu mới này là nghiên cứu đầu tiên so sánh trực tiếp hai chất liệu với những tính chất điện tử rất khác nhau đó. Trong khi các electron dẫn ở gallium arsenide hành xử giống như các hạt có khối lượng, thì các electron ở graphene hành xử giống như những photon không khối lượng.

Các nhà nghiên cứu sử dụng một bố trí chuẩn so sánh điện trở Hall của hai mẩu chất giữ ở nhiệt độ rất gần không độ tuyệt đối. Những dòng điện giống hệt nhau được gởi qua hai mẩu chất để tạo điện áp Hall. Để thấy điện áp này có khác nhau hay không, một mạch điện khác nối hai bên của hai mẩu chất với một máy dò dòng điện cực kì nhạy. Các nhà nghiên cứu không đo thấy dòng điện nào, nghĩa là điện áp giữa hai hai mẩu chất là giống nhau.

Thách thức vẫn còn đó

“Đây là phép đo chính xác nhất của sự độc lập với chất liệu của hiệu ứng Hall lượng tử”, Janssen nói. Tuy nhiên, vẫn có những thách thức quan trọng cần vượt qua trong việc thiết kế và điều khiển sự hoạt động của cân watt như thế. Điều quan trọng nhất, theo Janssen, là trở ngại cơ học của việc điều khiển cái cân. Ví dụ, lực tạo ra bởi cuộn dây từ tính và vận tốc của nó phải canh chỉnh thật thẳng với trọng lực. Và khi sai số toàn phần giảm đi, thì càng khó tạo ra sự canh chỉnh này.

“Việc định nghĩa lại chuẩn kilogram hiện nay là một trong những đề tài chính trong đo lường học”, phát biểu của Alexander Penin thuộc trường Đại học Alberta ở Edmonton, Canada. Thật vậy, trong tuần tới, các nhà đo lường học sẽ gặp nhau ở Paris trong Hội nghị toàn thể lần thứ 24 về Cân nặng và Đo lường để thảo luận giá trị của cân watt và những đề xuất khác nhằm định nghĩa lại kilogram.

Nguồn: physicsworld.com

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Khi dòng điện tác dụng lên nam châm
08/06/2022
Khả năng khai thác lượng điện năng có vẻ vô tận là một trong những nền tảng của thế giới hiện đại. Công nghệ ấy
Nhận thức lịch sử về nam châm
28/05/2022
Vào năm 1600, một bác sĩ người Anh cho biết ngoài trọng lực, Trái Đất còn tác dụng những lực khác khi ông chỉ ra rằng hành
Photon là gì?
25/07/2021
Là hạt sơ cấp của ánh sáng, photon vừa bình dị vừa mang đầy những bất ngờ. Cái các nhà vật lí gọi là photon, thì những
Lược sử âm thanh
28/02/2021
Sóng âm: 13,7 tỉ năm trước Âm thanh có nguồn gốc từ rất xa xưa, chẳng bao lâu sau Vụ Nổ Lớn tĩnh lặng đến chán ngắt.
Đồng hồ nước Ktesibios
03/01/2021
Khoảng năm 250 tCN. “Đồng hồ nước Ktesibios quan trọng vì nó đã làm thay đổi mãi mãi sự hiểu biết của chúng ta về một
Tic-tac-toe
05/12/2020
Khoảng 1300 tCN   Các nhà khảo cổ có thể truy nguyên nguồn gốc của “trò chơi ba điểm một hàng” đến khoảng năm 1300
Sao neutron to bao nhiêu?
18/09/2020
Các nhà thiên văn vật lí đang kết hợp nhiều phương pháp để làm hé lộ các bí mật của một số vật thể lạ lùng nhất
Giải chi tiết mã đề 219 môn Vật Lý đề thi TN THPT 2020 (đợt 2)
04/09/2020

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com