tổng hợp tin vật lí tháng 2&3/2009

© hiepkhachquay

Bản tin Vật lí

tháng 2&3/2009

Kiên Giang, tháng 2&3/2009

© hiepkhachquay | Bản tin Vật lí tháng 2&3/2009 1

Axion ‘tái xuất giang hồ’

Bằng chứng cho các axion một lần nữa đang nổi lên khi các nhà nghiên cứu khẳng

định những hạt giả định này có thể giải thích được cách thức các photon năng lượng rất cao

truyền đi mà không bị cản trở trong vũ trụ.

Các photon đó và các tia vũ trụ trung hòa khác (ngoài neutrino ra) đúng ra phải không

thể nào truyền đi được những khoảng cách liên thiên hà vì chúng bị hấp thụ bởi phông nền vi

sóng tối mờ của vũ trụ - nhưng cho đến nay chúng vẫn được phát hiện trên Trái đất.

Nay, một nhóm đứng đầu là Malcolm Fairbairn thuộc trường Hoàng gia London vừa

tìm thấy một mối tương quan giữa nơi các tia vũ trụ đã phát hiện xuất phát và nơi các photon

và axion có khả năng “hòa lẫn” hơn. Kết quả gợi ý rằng các photon tia vũ trụ có thể đi đến

Trái đất từ những thiên hà xa xôi bằng cách biến đổi tạm thời thành các axion, chúng có thể

đi qua phông nền vi sóng và không bị hấp thụ.

“Nếu như điều này có thể được xác nhận, thì nó sẽ là một khám phá hết sức quan

trọng”, theo lời Dan Hooper, một nhà vật lí tại Fermilab ở Mĩ, người đã tiến hành một nghiên

cứu tương tự hồi năm ngoái.

Bài toán cũ

Axion lần đầu tiên được đề xuất vào cuối thập niên 1970 để giải quyết một vấn đề

trong ngành vật lí hạt gọi là bài toán CP-mạnh. Lí thuyết đề xuất rằng các hạt cơ bản đó sẽ rất

nhẹ và sẽ tương tác rất yếu với vật chất – yếu đến mức, trong thực tế, chẳng ai từng phát hiện

ra chúng.

Nhóm của Fairbairn – trong đó có Timur Rashba ở Viện Nghiên cứu Hệ Mặt trời Max

Planck và Sergey Troitsky ở Viện Hàn lâm Khoa học Nga – đã và đang tìm kiếm một tương

đương thiên văn vật lí của một hiệu ứng đã được tìm kiếm trong các tuy nhiên axion phòng

thí nghiệm. Trong các thí nghiệm “chiếu ánh sáng qua tường” này, người ta chiếu một laser

lên một bức tường trong sự có mặt của một từ trường. Nếu như một số photon của laser biến

đổi thành axion, thì chúng có thể truyền tự do qua bức tường, biến đổi trở lại thành photon và

sau đó được phát hiện ở phía bên kia tường.

Hi vọng của Fairbairn và các đồng sự là, ở quy mô vũ trụ, “bức tường” đó có thể

được cung cấp bởi phông nền vi sóng, và từ trường được cung cấp bởi các thiên hà.

Để xem hiệu ứng “chiếu ánh sáng xuyên vũ trụ” này có tồn tại hay không, nhóm của

Fairbairn đã tiến hành một phân tích thống kê các tia vũ trụ trung hòa có năng lượng trên 1018

eV ghi lại bởi máy dò High Resolution Fly‟s Eye (HiRes) ở Utah. Các nghiên cứu trước đây

gợi ý một mối tương quan giữa vị trí đến của các tia vũ trụ này và các vị trí đã biết của hạt

nhân “hoạt động” chiếu sáng mạnh của các thiên hà ở xa. Nhưng nhóm của Fairbairn vừa

chứng tỏ được rằng còn có một mối tương quan nữa với đặc trưng có thể có của từ trường

2 thuvienvatly.com | © hiepkhachquay

của thiên hà của chúng ta, nó xác định xác suất biến đổi photon thành axion. Các nhà nghiên

cứu nói rằng khả năng mối tương quan đó xảy ra do sự trùng hợp ngẫu nhiên là 2,4%

Bằng chứng ‘còn xa vời’

Fairbairn phát biểu với physicsworld.com rằng kết quả đó là một bằng chứng mới

rạch ròi nghiêng về các axion, nhưng ông cảnh báo rằng nó phải được chứng thực bởi nhiều

số liệu nữa. “Vẫn còn xa mới chứng minh được cái gì đó”, ông thêm. “Còn rất, rất xa”.

Nếu như axion thật sự tồn tại, thì nó sẽ đặc biệt nhẹ (dưới 10-7

eV) và có sự ghép cặp

đặc biệt yếu với các photon (một ghép cặp ngược 1010

GeV). Tính chất thứ hai này cho thấy

nó là một lời giải cho bài toán CP-mạnh đã tồn tại hàng thập kỉ bởi vài bậc độ lớn. Tuy nhiên,

vẫn còn một nghi vấn là không biết nó có thể đáp ứng vai trò khả dĩ khác nữa của các axion

hay không – đó là vật chất tối lạnh phát sinh phần lớn lực hấp dẫn của vũ trụ.

Các nhà lí thuyết trông đợi các hạt vật chất tối phải nặng hơn 10-7

eV, vì nó có nghĩa

là chúng có thể sinh ra sớm hơn sau Big Bang và sau đó phân tán thành các mật độ thấp cung

cấp bởi vũ trụ học thực nghiệm. Nhưng Aaron Chou, một người phát ngôn của thí nghiệm

axion GammeV tại Fermilab, cho rằng có thể là chúng ta chỉ ống trong một vùng của vũ trụ

trong đó vật chất tối có vẻ kém đậm đặc hơn. “Tóm lại”, ông giải thích, “mô hình này còn có

thể tạo ra vật chất tối kiểu axion, nhưng không phải chỉ trong một kiễu mẫu chung”.

Dẫu sao thì nghiên cứu của nhóm Fairbairn cũng thật sự làm hồi sinh nghiên cứu của

Hooper, Pasquale Serpico thuộc CERN và Melanie Simet thuộc Đại học Chicago, những

người đã tìm thấy một mối tương quan tương tự đối với các photon năng lượng thấp hơn hồi

năm ngoái (Phys. Rev. D 77 063001; arXiv:0712.2825). Hooper và Serpico chỉ ra rằng – và

Fairbairn thừa nhận – không có cách nào biết được có bao nhiêu tia vũ trụ trung hòa mà

HiRes phát hiện thật sự là các photon, vì toàn bộ cái nó có thể phát hiện là những trận mưa

sau đó khi các tia đó va chạm với khí quyển Trái đất. Hơn nữa, Serpico còn nghi ngờ vào

tính hiệu quả của cơ chế biến đổi photon thành axion ở những năng lượng cao như thế.

Những sai sót trước đây

Đây không phải là lần đầu tiên các axion cám dỗ các nhà vật lí đến chỗ tin vào sự tồn

tại của chúng. Hồi năm 2006 đã có hi vọng cho bằng chứng thực nghiệm ttrong một thí

nghiệm ở Italia gọi là PVLAS, thí nghiệm ghi nhận một sự thay đổi nhỏ ở sự phân cực của

một chùm laser khi nó truyền qua một từ trường trong chân không. Các nhà nghiên cứu

PVLAS cho rằng sự thay đổi đó có thể là do một số photon của chùm laser kết hợp với các

photon trong chân không để tạo ra các axion. Tuy nhiên, sau này họ nhận thấy tín hiệu đó có

thể là sai số thí nghiệm.

Tất nhiên, việc cần làm duy nhất hiện nay của nhóm Fairbairn là chờ thêm số liệu

nưaz từ nữa từ những tìm kiếm tia vũ trụ khác, ví dụ như Đài quan sát Pierre Auger ở

Argentina. Đồng thời, họ có thể vẫn hi vọng một thí nghiệm trong phòng lab sẽ nhìn thấy

bằng chứng cho cùng loại axion đó.

http://arxiv.org/abs/0712.2825


Konstantin Zioutas ở CERN là người phát ngôn cho CAST, thí nghiệm axion duy

nhất hiện tồn tại có độ nhạy tiềm năng để tìm kiếm các axion của Fairbairn và các đồng sự.

Họ nói rằng để bắt đầu thì CAST cần phải nâng cấp, điều đó nằm trogn “tầm với” trong vòng

vài năm tới. “Nếu ý tưởng này được xác nhận dứt khoát, thì nó sẽ là một bước đột phá đối

với vũ trụ học và ngành vật lí hạt”, ông nói.


Hiệu ứng Doppler đảo nghịch bởi siêu chất liệu

Cơ cấu thí nghiệm đo vận tốc lan truyền và vận tốc pha.

Các nhà vật lí đã tạo ra rất nhiều trích dẫn trong những năm gần đây bởi việc mơ tới

những chất liệu được cấu trúc đặc biệt có những ứng dụng kì lạ kiểu như những chiếc áo

choàng tàng hình. Ngoài ra, một số trong các “siêu chất liệu” này còn được chế tạo trong

phòng thí nghiệm và tỏ ra hoạt động trên một ngưỡng hẹp bước sóng điện từ. Nay, một nhóm

nghiên cứu đến từ Hàn Quốc và Trung Quốc vừa chế tạo được một siêu chất liệu âm học gây

ra hiệu ứng kì lạ của hiệu ứng Doppler đảo nghịch. Đây là một cột mốc quan trọng tiến tới

một chiếc áo choàng âm học, theo lời các nhà nghiên cứu.

Như mỗi nhà vật lí đã được học trong nhà trường, hiệu ứng Doppler là cái làm cho

một người đi bộ nghe thấy tiếng còi chói tai khi xe cảnh sát tiến về phía họ, và nghe thấy một

âm trầm hơn khi xe cảnh sat tiến ra xa họ. Thật bất ngờ, một chất liệu mới đã bất chấp các

sách giáo khoa vật lí bởi việc làm đảo ngược hiệu ứng này đối với âm thanh.

Chul Koo Kim ở trường Đại học Yonsei và các đồng nghiệp của ông vừa thu được kì

công này bởi việc chế tạo ra một ống đàn hồi truyền âm thanh với một vận tốc pha âm.

“Chúng tôi vừa chế tạo thành công một siêu chất liệu âm học có chiết suất âm có thể điều

khiển được; các mô hình lí thuyết hiện nay có thể được bổ sung để hiện thực hóa việc tàng

hình âm học cũng như những ứng dụng khác nữa”, Kim phát biểu với physicsworld.com.

Thủ thuật và pháp thuật

Năm 2006, một nhóm tại trường Đại học Duke, Bắc Carolina, đã bắt được sự chú ý

của công chúng khi họ chứng minh được một thủ thuật trước đây chỉ có trong những trang

truyện Harry Potter mà thôi. Dưới sự chỉ đạo của David Smith, họ đã chế tạo một ống trụ từ

các “siêu chất liệu” nhân tạo có khả năng che giấy một vật khỏi bức xạ vi sóng – các sóng

đúng là bị “lái” vòng xung quanh vật như thể nó không có ở đó. Một hiệu ứng kì dị nữa cũng

đã được chứng minh trong những năm qua là “sự khúc xạ âm”: ánh sáng truyền qua giữa hai

môi trường, trong đó có một siêu chất liệu, bị bẻ cong theo hướng ngược lại với sự khúc xạ

cổ điển. Hiệu ứng này nổi bật nhất khi siêu chất liệu đó là “lưỡng âm tính”, vừa có hằng số

điện môi âm vừa có độ từ thẩm âm.


Nghiên cứu mới nhất này xét các nguyên lí khúc xạ điện từ âm tính và áp dụng cho

các dao động âm. Ở đây, các thông số được làm cho có giá trị âm là mật độ chất và modul

của chất, đại lượng kể sau liên quan đến độ đàn hồi của chất. Cho đến nay, các kĩ sư chỉ mới

chế tạo được các siêu chất liệu có một trong những tính chất này, nhưng Kim và các đồng sự

vừa kết hợp chúng một cách thành công để tạo ra siêu chất liệu âm học “lưỡng âm tính” đầu

tiên trên thế giới (arXiv:0901.2772v2 ). Ống âm học của họ được chế tạo từ các màng mỏng

dưới sức căng cung cấp bởi một dòng không khí được điều khiển cẩn thận, và cấu hình này

làm chủ được việc tạo ra một vận tốc pha âm cho âm thanh truyền qua.

Âm thanh được cho đi vào ống từ một nguồn đang chuyển động qua các lỗ trống

khoét đều đặn dọc theo thân dụng cụ. Bên trong ống, một máy dò cố định nhận âm thanh

trước khi gửi một tín hiệu điện đến một cái loa. Theo Kim, trở ngại kĩ thuật chủ yếu là phát

triển các bộ hấp thụ hiệu quả ở từng đầu của ống. “Điều này cho phép chúng ta chống lại sự

phản xạ và đảm bảo chất lượng của dữ liệu”, ông nói.

Nền âm học mới

Kim và các đồng sự đã kiểm tra thiết bị đó, sử dụng âm thanh 350 Hz với một nguồn

đang chuyển động 5 m/s tiến lại gần rồi tiến ra xa theo hướng truyền sóng. Trái với các thí

nghiệm Doppler cổ điển, họ tìm thấy tần số bị dịch chuyển xuống khi nguồn chuyển động lại

gần và dịch chuyển lên khi nguồn chuyển động ra xa. Cái các nhà thí nghiệm nghe được là

một âm tăng lên khi nguồn đi ra xa máy dò và một âm nhỏ hơn khi nó chuyển động về phía

máy dò.

Kim phát biểu với physicsworld.com rằng giai đoạn tiếp theo của nghiên cứu là

chuyển “thiết kế 1D” của họ thành các loại siêu chất liệu âm học 2D và 3D đa dạng. “Những

phát triển này có thể tìm thấy ứng dụng trong y khoa và trong công nghiệp. Đồng thời, sự

điều khiển dễ dàng chiết suất âm học sẽ thúc đẩy những xu hướng nghiên cứu mới trong

ngành âm học sợi”, ông nói.

Jose Sanchez Dehesa, một nhà nghiên cứu siêu chất liệu ở trường Đại học Valencia

nói, “Nghiên cứu này là một đột phá quan trọng; nếu bây giờ chúng ta có thể chuyển dịch cấu

trúc này sang 2D và 3D thì nó có thể sử dụng để thu được những thứ như độ phân giải hạ

bước sóng trong chụp ảnh siêu âm và nhiều thiết bị lí thú khác”.



Tìm thấy “siêu Trái đất”

Ảnh minh họa cách thức hành tinh ngoại được phát hiện. Khi hành tinh ngoại đi qua phía trước

ngôi sao đồng hành của nó, lượng ánh sáng đi tới CoRoT giảm đi (Ảnh: ESA)

Các nhà thiên văn sử dụng kính thiên văn vũ trụ CoRoT vừa phát hiện ra hành tinh

ngoài hệ mặt trời nhỏ nhất từ trước đến nay. Hành tinh đó, được đặt tên là CoRoT–Exo–7b,

chưa tới hai lần kích thước Trái đất. Nó có nhiệt độ bề mặt hơn 1000 độ vì quỹ đạo của nó

cực kì gần với ngôi sao bố mẹ của nó – và hành tinh ngoại đó hoàn thành một vòng quỹ đạo

chỉ trong 20,5 giờ.

Phần lớn trong số 330 hành tinh ngoại đã được khám phá từ trước đến nay là những

hành tinh khí khổng lồ tương tự như Mộc tinh. Rất ít hành tinh có khối lượng có thể so sánh

với khối lượng Trái đất được phát hiện vì chúng khó dò tìm. CoRoT nhận ra được một vật

thể nhỏ như thế bởi vì nó nhạy với bề mặt của hành tinh chứ không phải chỉ với khối lượng

của nó – như trong những phương pháp khác dò tìm các hành tinh ngoài hệ mặt trời, đi tìm

sự chao đảo của ngôi sao gây ra bởi một hành tinh đang quay quanh. CoRoT còn bay trên

quỹ đạo cách mặt đất 900 km và có thể phát hiện các thay đổi trong độ sáng sao nhỏ cỡ

0,01%, tốt hơn chừng 10 lần so với các kính thiên văn tốt nhất trên mặt đất.

Hành tinh ngoại đó quay xung quanh một ngôi sao cách Trái đất khoảng 400 năm ánh

sáng và được phát hiện ra bằng cách đo sự hơi mờ đi của một ngôi sao mỗi khi một hành tinh

đang quay xung quanh nó đi qua phía trước nó. Mặc dù tỉ trọng của CoRoT–Exo–7b cho đến

nay vẫn chưa được xác định, nhưng các nhà khoa học tin rằng nó có thể là một vật thể đá –

kiểu Trái đất – và được bao phủ với đá tan chảy. Vì thế, nó không thích hợp cho sự sống như

chúng ta biết trên Trái đất.


Cột mốc quan trọng cho những người săn lùng hành tinh

Kết quả mới này là một cột mốc quan trọng cho những người săn lùng hành tinh, theo

lời Jean Schneider ở Phòng thí nghiệm Vũ trụ và Lí thuyết tại Đài quan sát Paris, vì những

phép đo gần đây gợi ý sự tồn tại của các hành tinh có khối lượng nhỏ nhưng kích thước của

chúng thì hiện nay chưa hề được xác định.

Khám phá đó cũng được củng cố với hàng loạt phép đo sau đó từ mặt đất, sử dụng

các kính thiên văn và thiết bị như VLT-ESO ở Paranal, HARPS ở La Silla và Kính thiên văn

Canada-Pháp-Hawaii ở Mauna Kea. Mặc dù các nhà khoa học phát hiện ra CoRoT–Exo–7b

cách nay đã một năm, nhưng họ đã chờ các kết quả đến từ những phép đo bổ sung này trước

khi công bố kết quả của mình.

CoRoT được phát triển bởi Cơ quan Không gian Pháp (CNES) tại Phòng thí nghiệm

Nghiên cứu Vũ trụ và Thiết bị đo đạc Thiên văn vật lí (Đài quan sát Paris), Phòng thí nghiệm

Thiên văn vật lí Marseille, Viện Thiên văn vật lí Vũ trụ, Orsay (Đại học Paris 11) và Đài

quan sát Midi Pyrenees, Toulouse. Các đối tác quốc tế gồm các đội đến từ Áo, Bỉ, Cơ quan

Không gian châu Âu, Đức, Tây Ban Nha và Brazil.

CoRoT là từ viết tắt của Convention, Rotation và Transits và mục tiêu của nó là tìm

kiếm các hành tinh ngoại, và nhất là những hành tinh tương tự như Trái đất. Nó còn phát hiện

và phân tích các dao động sao để xác định thành phần cấu tạo của sao (còn gọi là địa chấn

học sao).

Công trình được trình bày tại hội nghị chuyên đề lần thứ nhất dành cho CoRoT, tổ

chức ở Paris, từ ngày 2 đến 5/2/2009. Công trình sẽ được báo cáo trong số đặc biệt sắp ấn

hành của tập san Astronomy and Astrophysics.

CoRoT là bước đầu tiên đi tìm các hành tinh ngoại kiểu Trái đất và là một dự án

tương đối nhỏ tiêu tốn chỉ 140 triệu bảng Anh. Nó còn được tiếp bước bởi KEPLER, một sứ

mệnh nhiều tham vọng hơn của người Mĩ với những mục tiêu tương tự.

http://www.aanda.org/


Electron phân cực được bơm vào ở tần số GHz

Một dụng cụ phát ra đúng một electron phân cực spin mỗi một phần tỉ của giây vừa

được các nhà vật lí ở Đức tiết lộ. Xây dựng trên một mẩu bán dẫn nhỏ xíu gọi là chấm lượng

tử, dụng cụ này là một trong những máy bơm electron độc thân nhanh nhất từng được chế

tạo.

Các nhà nghiên cứu tin rằng dụng cụ này có thể, với một số cải tiến, sử dụng làm một

nguồn rất chính xác phát ra dòng điện sẽ cho phép các nhà vật lí định nghĩa lại các đơn vị SI

theo các thuật ngữ định lượng cơ bản như điện tích của electron – một ngành học gọi là đo

lường lượng tử học.

Ở cấp độ thực tiễn hơn, vì spin của các electron phát ra dường như đều hướng theo

một chiều như nhau, nên dụng cụ có thể dùng làm một nguồn phát electron phân cực spin

trong các linh kiện “công nghệ spin” khai thác cả spin và điện tích của electron. Về nguyên

tắc, điều này sẽ cho phép những dụng cụ như vậy hoạt động ở tốc độ đồng hồ gigahertz.

Các dụng cụ chui hầm

Dụng cụ mới này được chế tạo bởi các nhà vật lí tại phòng thí nghiệm tiêu chuẩn PTB

ở Braunschweig, Đức. Họ nằm trong số một số nhóm tại các phòng thí nghiệm tiêu chuẩn

trên khắp thế giới đang phát triển các nguồn dòng electron độc thân chính xác. Phần nhiều

http://physicsworld.com/cws/article/news/37638/1/ghz

http://physicsworld.com/cws/article/news/37638/1/ghz


trong số các nguồn này tận dụng lợi thế của hiệu ứng chui hầm cơ lượng tử - nhờ đó một

electron có xác suất tự phát đi qua một hàng rào cách điện giữa hai mẩu kim loại nhỏ xíu

(Applied Physics Letters 94 012106) .

Các dụng cụ buổi đầu sử dụng một loạt mẩu kim loại nhỏ xíu và các rào thế. Tuy

nhiên, sự chui hầm mất một lượng thời gian hữu hạn, nghĩa là có một quãng khoảng mười

phần triệu của một giây giữa sự phát xạ của các electron liên tiếp. Nói cách khác, nguồn hoạt

động ở tần số 10MHz, và tần số tương đối thấp này mang lại một dòng điện quá nhỏ cho bất

kì công dụng thực tiễn nào làm một nguồn dòng điện chính xác cho đo lường lượng tử học.

Các máy bơm electron độc thân nhanh hơn nhiều hoạt động ở tần GHz đã được chế

tạo sử dụng các sóng âm bề mặt (SAW) trên một chất bán dẫn. Đây là các sóng âm cao tần

trong một chất bán dẫn lái các electron độc thân đi qua hàng rào thế cách điện. Tuy nhiên, kĩ

thuật này kém chính xác hơn nhiều so với các kĩ thuật dựa trên sự chui hầm và vì thế không

có khả năng sử dụng nhiều cho đo lường lượng tử học.

Năm 2007, một đội nghiên cứu quốc tế gồm Mark Blumenthal tại Đại học

Cambridge, Bernd Kaestner tại phòng thí nghiệm đo lường quốc gia PTB ở Đức, và JT

Janssen tại Phòng thí nghiệm Vật lí quốc gia của Anh, đã đi đến một phương pháp mới chế

tạo một nguồn electron độc thân nhanh hơn nhiều xây dựng trên các hàng rào chui hầm đang

dao động.

Gồm một mẩu bán dẫn nhỏ xíu gọi là chấm lượng tử, dụng cụ này ban đầu hoạt động

ở tần số lên tới khoảng 3GHz. Tuy nhiên, nó không đủ gần chính xác cho đo lường lượng tử

học vì nó thất bại trước việc phát ra đúng một electron mỗi lần trong mỗi 10.000 chu kì. Để

có công dụng thực tiễn, một máy bơn GHz chỉ có thể bỏ qua một cú phát ra electron khoảng

một lần mỗi 10 triệu chu kì.

Tháng 12 năm ngoái, Janssen và các đồng sự ở Cambridge và New York đã chứng tỏ

được hiệu suất của một máy bơm electron như thế có thể cải thiện đáng kể bằng cách đặt nó

trong một từ trường cao cỡ 3T. Nay, Kaestner cùng với Hans Schumacher và các đồng sự tại

PTB vừa tăng cường từ trường này lên khoảng 10T và phát hiện thấy hiệu suất được cải thiện

còn nhiều hơn nữa. Ngoài ra, ở trong một trường cao như vậy, các electron được bơm hầu

như chắc chắn bị phân cực spin – theo các nhà nghiên cứu.

Điện áp dao động

Dụng cụ PTB xây dựng một chấm lượng tử đường kính 250 nm (xem hình). Các mặt

đối nhau của chấm lượng tử được nối với hai dây kim loại nhỏ xíu (rộng 700 nm) qua hai lớp

cách điện mỏng (dày khoảng 100 nm). Một điện cực mang một điện áp dao động được đặt

lên một lớp cách điện và một điện cực nữa mang một điện áp không đổi đặt lên lớp cách điện

kia.

Một electron có thể di chuyển từ dây dẫn sang chấm lượng tử bằng cách chui hầm

qua lớp cách điện bên dưới điện cực điện áp dao động. Việc này dễ xảy ra hơn nhiều ở một

điểm nhất định trong quá trình dao động, khi hàng rào chui hầm giảm đi bởi điện áp ngoài.

http://link.aip.org/link/?APPLAB/94/012106/1


Sau khi sự chui hầm xảy ra, chấm lượng tử khi đó có thể một electron nữa, sau đó electron

này chui hầm ra ngoài sang dây nano khác. Lực đẩy điện giữa các electron có nghĩa là mỗi

lần chỉ có một electron có thể nhét qua hàng rào chui hầm.

Schumacher phát biểu với physicsworld.com rằng những dụng cụ như vậy có thể hoạt

động ở tần số GHz vì điện áp đặt vào làm giảm các rào thế chui hầm, cho phép sự chui hầm

xảy ra nhanh hơn nhiều so với trong các dụng cụ kim loại-chất cách điện.

Đội nghiên cứu nhận thấy bằng cách đặt một từ trường cao vào chấm lượng tử, độ

chính xác của máy bơm tăng lên từ khoảng một trong 10.000 lên khoảng một trong một triệu.

Tuy nhiên, người ta không biết rõ cho lắm vì sao từ trường lại có sự tăng cường cao như thế

đối với độ chính xác.

Schumacher tin rằng từ trường làm thay đổi cách thức electron chui hầm qua chất

cách điện. Electron bị làm lệch hướng bởi từ trường và vì thế cho phép những quỹ đạo cong

dài hơn đi qua rào thế - có thể làm cho dễ xảy ra hơn khả năng đúng một electron chui hầm

vào và ra trong mỗi chu kì. Janssen thêm rằng từ trường còn có tác dụng giam giữ các

electron trong những vùng nhỏ hơn của chấm lượng tử - làm sâu sắc thêm sự phân chia giữa

các mức năng lượng electron, một lần nữa làm cho dễ có khả năng có đúng một electron đi

vào và một electron đi ra.

Công nghệ ‘hấp dẫn’

Jukka Pekola, người nghiên cứu các nguồn electron độc thân tại Đại học Công nghệ

Helsinki, đã mô tả nguồn này là thật “hấp dẫn” vì từ trường cung cấp cho các nhà vật lí một

thông số khác để điều chỉnh hiệu suất của nó – và còn vì các electron dường như bị phân cực

spin.

Đội PTB hiện đang cố gắng tăng thêm độ chính xác của nguồn lên khoảng một trong

100 triệu bằng cách thử tìm từ trường, hình dạng dụng cụ, tần số hoạt động và dạng sống tối

ưu của điện áp dao động.

Trong khi đội nghiên cứu không thật sự đo được sự phân cực spin của các electron,

Schumacher tin chắc rằng một trường 10T sắp thẳng hàng tất cả các spin theo cùng một

hướng. Nhưng để cho chắc chắn, đội nghiên cứu có kế hoạch đo sự phân cực spin vào một

thời gian nào đó trong tương lai.

Schumacher thêm rằng nguồn electron đó có thể dễ dàng điều chỉnh để tạo ra hai

electron phân cực spin cùng một lúc. Vì cặp electron sinh ra trong cùng một chấm lượng tử,

nên chúng sẽ bị rối và do đó có thể sử dụng – ít nhất là về nguyên tắc – trong máy tính lượng

tử.


Bài báo PAMELA khắc sâu thêm khẳng định vật chất tối

Thí nghiệm PAMELA có trông thấy vật chất tối hay không ? Đó là một trong những

bí ẩn vật lí học lớn nhất của năm 2008, khi các kết quả sơ bộ từ máy dò hạt đặt trên vũ trụ

cho thấy một sự dị thường ở tỉ số positron năng lượng cao và electron đi tới Trái đất có thể

gây ra bởi sự phân hủy vật chất tối. Nếu đúng như vậy, thì kết quả đó sẽ là cái nhìn trực tiếp

nhất từ trước đến nay về đối tượng vật chất hay lảng tránh chiếm khoảng 22% khối lượng của

vũ trụ.

Tuy nhiên, những người khác thì cho rằng dị thường đó có thể có một lời giải thích

mang tính thế tục hơn ở chỗ nó dễ dàng bị gây ra bởi các positron phát ra bởi các pulsar ở

gần. Tuy nhiên, nay đội PAMELA vừa công bố một bản phân tích những dữ liệu khác – tỉ lệ

phản proton-proton – có thể mang thêm sức nặng cho lời giải thích pulsar.

Được phóng lên vào tháng 6/2006, vệ tinh PAMELA (Payload for Antimatter/Matter

Exploration and Light-nuclei Astrophysics) được thiết kế bởi các viện nghiên cứu ở Italy,

Nga, Đức và Thụy Điển, nhằm khảo sát bản chất của các phản hạt trong tia vũ trụ. Vào tháng

11/2008, đội PAMELA đã báo cáo những kết quả sơ bộ, trong đó cho rằng tỉ số positron so

với electron ở các năng lượng trên 10 GeV lớn hơn so với các lí thuyết tiên đoán chỉ tính đến

sự sản sinh positron từ các tương tác giữa tia vũ trụ và chất khí liên thiên hà.

Pulsar hay vật chất tối ?

Mặc dù chương trình hợp tác PAMELA phát biểu vào lúc ấy rằng các positron dư

thừa có thể đến từ một pulsar ở gần, nhưng họ cũng đề xuất rằng nó có thể do các hạt vật chất

tối đang phân hủy.

Đội PAMELA vừa công bố một bài báo về tỉ lệ phản proton/proton trong dòng tia vũ

trụ, nó cũng phải bị ảnh hưởng bởi vật chất tối đang phân hủy để tạo các các phản proton.

PAMELA đã đo được đại lượng này ở các năng lượng giữa 1-100GeV trong 500 ngày thu

thập dữ liệu (Phys Rev Lett 102 051101).

Đội nghiên cứu nhận thấy tỉ số phản proton/proton tăng lên từ gần như zero ở 1 GeV

lên một giá trị cực đại khoảng 0,0002 xung quanh 10 GeV, trước khi giảm trở xuống trở lại.

Theo đội nghiên cứu, dữ liệu cho thấy các phản proton được tạo ra khi tia vũ trụ va chạm với

chất khí giữa các sao – không cần thiết đến sự phân hủy vật chất tối.

Một câu hỏi mở

Vậy thì các kết quả positron/electron này sẽ đi đến đâu ? Thành viên đội PAMELA

Wolfgang Menn thuộc trường Đại học Siegen ở Đức phát biểu với physicsworld.com rằng

đây vẫn là một câu hỏi mở - và sự phân hủy vật chất tối vẫn là một lời giải thích có thể có,

cùng với các pulsar.

http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.051101


Đôi mắt loài bướm đêm gợi cảm hứng cho pin mặt trời hiệu quả hơn

Được truyền cảm hứng bởi đôi mắt của một loài bướm đêm, các kĩ sư tại một trường công nghệ cao ở

Eindhoven đã chế tạo ra một lớp tráng cho pin mặt trời có sự phản xạ lọc lựa. Ảnh: Rick Cowen

Hiện tượng quang điện, hiện tượng chuyển hóa ánh sáng mặt trời thành điện năng, từ

lâu đã được chào hàng là một trong những giải pháp triển vọng nhất cho nhu cầu năng lượng

của chúng ta. Thật không may, các thiết bị ngày nay phản xạ rất nhiều ánh sáng năng lượng

mặt trời dưới dạng nhiệt, có nghĩa là điện mặt trời hiện nay không rẻ tiền như các dạng năng

lượng khác. Tuy nhiên, nay các nhà nghiên cứu ở Hà Lan vừa phát triển một lớp tráng chống

phản xạ xây dựng trên cấu trúc nano của mắt một loài bướm, nó có thể làm giảm sự phản xạ

khỏi các tấm pin quang điện và nhờ đó làm cho chúng hiệu quả hơn.

Jaime Gomez Rivas và các đồng sự tại Phòng thí nghiệm nghiên cứu Philips ở

Deindhoven nói rằng công nghệ “mắt bướm” của họ mạnh hơn các dụng cụ đo lươnhg chống

phản xạ khác đã biết. Ngoài ra, họ còn phát triển một kĩ thuật sản xuất mới rẻ tiền có thể thực

hiện lớp tráng với độ chính xác cao.

Hút lấy ánh sáng

Mọi người biết rằng các loài bướm đêm cố tìm kiếm ánh sáng trong bóng đêm,

nhưng dường như chúng thật sự chẳng thể thu đủ các tia sáng này. Để tăng tối đa lượng ánh


sáng đi vào mắt của chúng, nhằm giúp chúng nhìn thấy trong bóng tối, mắt của loài côn trùng

này được phủ những cấu trúc nano hình nón. Những cấu trúc này tạo ra một “môi trường

hiệu quả” trong đó chiết tăng tăng dần khi ánh sáng từ không khí qua dây thần kinh quang

học của con côn trùng. Chiết suất thu được gần bằng một, nghĩa là có rất ít ánh sáng bị phản

xạ ra khỏi mắt.

Được truyền cảm hứng bởi những cấu trúc sinh học này, Gomez Rivas và các đồng sự

đã nhại lại hiệu ứng bằng cách nuôi các dây nano có chiều dài khác nhau – tạo ra một siêu

chất liệu có những tính chất quang học thay đổi từ từ là hàm của khoảng cách. Nhóm nghiên

cứu vừa báo cáo, trong vài ba năm qua, một sự giảm đáng kể sự phản xạ trên một ngưỡng

rộng màu sắc và góc tới. Tuy nhiên, cho đến nay, người ta vẫn không rõ là hiệu ứng này có là

kết quả của sự truyền ánh sáng tăng thêm hay không, hay nó chỉ là sự tán xạ và hấp thụ trong

các dây nano.

Lần này, đội nghiên cứu sử dụng các que nano gallium phosphide (GaP) trên một chất

nền GaP, sau đó họ đo sự phản xạ và truyền qua một cách đồng thời (Adv. Mater.:2009.21.1

). “Chúng tôi lần đầu tiên đã chỉ ra được rằng sự truyền ánh sáng là át hẳn, chỉ một phần nhỏ

sự phản xạ [suy giảm] liên quan đến sự thất thoát do tán xạ và hấp thụ”, Rivas nói.

Lớp tráng xanh

Các mẫu trước đây của một cấu trúc “chiết suất tăng dần” đã được chế tạo từ việc

khắc một chất nền silicon với những loại cấu trúc nano khác nhau. Tuy nhiên, hạn chế chính

của phương pháp này là lớp chống phản xạ cũng bị hấp thụ. Cách đây hai năm, cấu trúc nano

chiết suất tăng dần “từ dưới lên” đầu tiên đã được chế tạo bằng cách kết hợp silicon dioxide

với titanium dioxide. Nay, nghiên cứu mới này mang lại một phương pháp hiệu quả năng

lượng hơn nhiều, bởi việc tạo ra một chiết suất tăng dần trong một kim loại đơn chất.

“Ý tưởng làm thay đổi từ từ sự cản trở của không khí đến trở kháng của chất liệu đã

được biết rĩ, nhưng phương pháp mà họ thực hiện nó có hơi tao nhã hơn”, theo lời Pete

Vukusic, người đang nghiên cứu những tính chất quang của các chất liệu tự nhiên tại trường

Đại học Exeter, Anh.

Rivas phát biểu với physicsworld.com rằng mục tiêu lâu dài của đội ông là đưa

phương pháp thành một sản phẩm, nhưng trong vòng vài năm tới, họ sẽ tiếp tục tìm kiếm sự

phản xạ thấp hơn nữa. “Về mặt lí thuyết, chúng tôi có thể thu được sự truyền qua 99%; khó

khăn là ở chỗ các dây nano của chúng tôi sẽ cần phải làm cho dài hơn và dày hơn và khi đó

sự tán xạ sẽ tham gia cuộc chơi”, ông nói.

Francisco J. Garcia-Vidal, một nghiên cứu quang học tại trường Đại học tự trị

Madrid nói, “Kĩ thuật từ dưới lên này sẽ rất linh hoạt, bởi vì nó cho phép chúng ta chọn chất

liệu hầu như độc lập nhau đối với các dây nano và chất nền”.

http://www3.interscience.wiley.com/journal/121638163/abstract

http://www3.interscience.wiley.com/journal/121638163/abstract


Mang các hành tinh ngoại vào tiêu điểm chú ý

Quang học thích ứng sử dụng miếng chắn lỗ kính.

Hồi đầu tuần này, các nhà thiên văn đã báo cáo về quan sát hành tinh nhỏ nhất từng

biết đang quay xung quanh một ngôi sao khác ngoài mặt trời của chúng ta. Thật ra, ngày nay

chúng ta biết khoảng 300 “hành tinh ngoại” như vậy, phần lớn trong số chúng là những khối

khí khổng lồ giống như Mộc tinh. Nay, một kĩ thuật chụp ảnh mới sử dụng sợi quang có thể

giúp những người săn lùng hành tinh tiến tới món hời của nhà thiên văn học – quan sát trực

tiếp và mô tả đặc trưng của một hành tinh kiểu Trái đất.

Trở ngại với việc phát hiện ra những hành tinh như thế là độ phân giải – ánh sáng

xuất phát từ chúng quá mờ nhạt so với ánh sáng phát ra từ ngôi sao bố mẹ. Một đội nghiên

cứu đến từ Pháp và Australia đề xuất cách khắc phục vướng mắc này, bằng cách cho ánh

sáng qua những sợi quang đơn mode lấy từ ngành công nghiệp viễn thông. Kĩ thuật mới làm

tăng đáng kể độ phân giải của kĩ thuật quang thích ứng hiện có (AO), một phương pháp làm

giảm sự nhòe ảnh của các bức ảnh thiên văn học, theo lời các nhà nghiên cứu.

“Các tay săn lùng hành tinh đã bắt đầu chuyên môn hóa trong những năm gần đây;

kiểu như nhóm ăn thịt trong một quần xã sinh vật”, theo lời Peter Tuthill, một trong các nhà

nghiên cứu, đến từ trường Đại học Sydney. “Trong cuộc đua đường dài, chúng tôi đang nhắm

tới mô tả và nghiên cứu bản thân các hành tinh, chứ không phải chỉ sưu tập chúng trong danh

mục các phát minh khám phá”.

Các nhà thiên văn học lần đầu tiên bắt đầu phát hiện ra các hành tinh ngoại vào cuối

những năm 1980, nhưng kể từ đó các phương pháp dò tìm chẳng có mấy sự thay đổi. Đa

phần trong số những khám phá này thu được từ hai phương pháp: hoặc là tìm kiếm “sự chao


đảo” của một ngôi sao gây ra bởi lực hấp dẫn của một hành tinh khi nó đang quay xung

quanh; hoặc là tìm kiếm sự lu mờ của một ngôi sao khi một hành tinh đang quay xung quanh

quét qua phía trước và chặn lại một phần ánh sáng sao.

Trong khi những kĩ thuật này có thể hé lộ quỹ đạo và khối lượng của các hành tinh

ngoại, thì chúng cho chúng ta biết rất ít về khí quyển của các hành tinh bên trong “vùng có

thể ở được” của một hệ mặt trời. Mặc dù các kính thiên văn đặt trong không gian đã tránh

được sự lu mờ ảnh của khí quyển Trái đất, nhưng vẫn rất khó phân giải ánh sáng hành tinh từ

ánh sáng của ngôi sao bố mẹ sáng hơn nhiều của nó. Độ tương phản thường là một phần 100

triệu đối với một hành tinh kích cỡ Mộc tinh và một phần 10 tỉ đối với một hành tinh cỡ Trái

đất.

Bất chấp những khó khăn này, hai đội nhà thiên văn độc lập nhau, hồi tháng 11 năm

ngoái, cuối cùng đã báo cáo những bức ảnh trực tiếp “như thật” đầu tiên của các hành tinh

ngoại. Họ khai thác ống kính rộng 8-10m của các kính thiên văn mặt đất Gemini và Peck. Họ

còn sử dụng một kĩ thuật ghi ảnh gọi là quang học thích ứng (AO) để “làm rõ” ảnh. Các kính

thiên văn AO hoạt động bởi có một cái gương chính linh hoạt có thể thay đổi cỡ - sử dụng

ánh sáng phát ra “các ngôi sao dẫn hướng” sáng ở gần vùng mục tiêu của các nhà thiên văn –

để tăng độ phân giải của ảnh.

“Lợi thế chủ yếu của AP là nó loại bỏ ảnh hưởng của các quang sai pha, nhìn thấy

dạng „lốm đốm‟, thông qua việc lọc không gian và lập bản đồ thận trọng” theo lời Christian

Marios ở Viện Vật lí Thiên văn Herzberg ở Canada. Tuy nhiên, một trong những hạn chế của

AO là việc kiểm tra thường hết sức khó do sự phụ thuộc cao của nó vào độ phân cách góc

giữa ngôi sao và hành tinh.

Quang học thích ứng điều chỉnh tinh vi

Với nghiên cứu mới nhất này, Tuthill và các đồng sự đã làm cho việc định cỡ dễ dàng

hơn thông qua việc phát triển một kĩ thuật đã có gọi là “mặt nạ ống kính”. Trong kĩ thuật

chắn lỗ ống kính tiêu chuẩn, ánh sáng được truyền qua các lỗ nhỏ làm cho các chùm tia nhiễu

xạ; người quan sát khi đó suy ra sự có mặt – hay không có mặt – của các hành tinh ngoại từ

hình ảnh vân giao thoa thu được. Tuy nhiên, cho đến nay, kĩ thuật này bị vướng phải những

khiếm khuyết trong thiết bị đo giao thoa.

Các nhà nghiên cứu đã cải tiến việc chắn ống kính bằng cách đặt một dải 36 sợi

quang đơn mode phía say đĩa ống kính. Bằng cách cho ánh sáng tới đi qua các sợi quang, các

đầu sóng vẫn giữ được các pha tương đối của chúng, dẫn tới một độ phân giải cao hơn và

tính xác thực của dữ liệu (arXiv:0901.2165 ). “Bạn có thể hình dung việc chắn ống kính như

một thùng chất đốt phụ đối với một hệ AO vì chúng ta sẽ vẫn sử dụng một hệ AO để tiến

hành sự truyền qua đầu tiên nhằm hiệu chỉnh quang sai của ánh sáng sao”, Tuthill nói.

Mặc dù phương pháp “lập lại bản đồ con ngươi” cho đến nay chưa được kiểm nghiệm

trên những bức ảnh thiên văn thật sự, nhưng Tuthill phát biểu với physicsworld.com rằng

công nghệ này “là điểm nóng trong xu thế phát triển” của ngành công nghiệp lượng tử.



Phản ứng của cộng đồng

Wesley Traub, nhà khoa học chính cho Chương trình Đạo hàng NASA, phát biểu với

physicsworld.com, “Phương pháp mới này tương tự như phương pháp che con ngươi, nhưng

nó khác ở chỗ toàn bộ con ngươi bây giờ đều có thể được sử dụng”.

“Đặc điểm mới thật sự hấp dẫn là họ sử dụng sự khép kín pha để tìm kiếm sự phân bố

không đối xứng của ánh sáng trên bầu trời, như ánh sáng tạo ra bởi một ngôi sao có một hành

tinh ở gần nó”, ông thêm.

Tuthill và các đồng sự của ông hiện có kế hoạch kiểm tra thiết bị của họ trên các bức

ảnh thực của vũ trụ. “Trong thời gian dài hơi hơn, chúng tôi hi vọng có khả năng cho thế hệ

tiếp theo của các kính thiên văn khổng lồ”, ông nói. “Cho đến nay, chẳng ai biết làm thế nào

xây dựng các hệ AO để làm cho những chiếc kính khổng lồ này hoạt động tốt, nhưng đội

chúng tôi cho rằng các thiết bị kiểu như đã mô tả ở đây sẽ là một thành phần quan trọng để

thu được nền khoa học tốt nhất từ thế hệ mới của các kính thiên văn kếch xù”.

Chuyên gia quang học thích ứng Denis Brousseau tại trường Đại học Laval ở Canada

phát biểu với physicsworld.com, “Kĩ thuật đó có tiềm năng cải thiện sự che chắn ống kính ở

những đài quan sát quan trọng trên thế giới”.


Sự rối chuyển sang cơ giới

Các nhà vật lí ở Mĩ là những người đầu tiên chứng minh được hiện tượng cơ lượng tử

của sự rối trong một hệ vật chất thông dụng gọi là một dao động tử cơ học. Đội nghiên cứu

đã làm rối các trạng thái dao động của hai cặp ion nguyên tử trong một thí nghiệm là bước

tiến hơn nữa trong sự hiểu biết của chúng ta về ranh giới giữa thế giới lượng tử và thế giới cổ

điển.

Kể từ khi khai sinh ra cơ học lượng tử vào những năm 1920 và 1930, các nhà vật lí đã

tranh luận về mối quan hệ giữa miền xác suất của các nguyên tử và phân tử và thế giới các

vật thể rắn chắc trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Vấn đề được Erwin Schrödinger

làm cho nổi bật nhất khi ông tưởng tượng đến số phận của một con mèo bị nhốt trong một cái

hộp đóng kín với một lượng nhỏ chất phóng xạ đặt gần một máy đếm Geiger và một lọ thủy

tinh chứa chất độc. Cơ học lượng tử cho rằng sau một khoảng thời gian nhất định – tại điểm

đó có thể có hoặc không có sự phân rã phóng xạ, làm cho chất độc được giải phóng – con

mèo ở trong trạng thái chồng chất của sự sống và cái chết.

Tuy nhiên, không có ai từng quan sát thấy một con mèo hay bất kì một vật thể cỡ lớn

nào ở trong một sự chồng chất như vậy cả. Có khả năng đây đơn giản là một vấn đề kĩ thuật,

và cho đến nay chúng ta không thể cô lập những vật thể lớn ra khỏi môi trường trong thời

gian đủ dài để quan sát các trạng thái lượng tử dễ vở của chúng. Rốt lại, có thể có một cơ chế

cơ sở, nhưng cho đến nay chưa được khám phá, hạn chế các hiệu ứng cơ lượng tử đối với

những hệ dưới một kích cỡ nhất định.

Hiệu ứng lượng tử ở những hệ lớn hơn

Trong thập niên vừa qua hoặc ngần ấy thời gian, các nhà nghiên cứu đã nhìn thấy các

hiệu ứng lượng tử trong những hệ tiến gần đến kích cỡ của những vật thể thường tuân theo

nền vật lí cổ điển. Trong số này là sự giao thoa lượng tử giữa chùm phân tử cacbon-60, và sự

chồng chất của các dòng điện đang chạy trong theo những hướng ngược nhau xung quanh

một vòng chất siêu dẫn. Tuy nhiên, không có ai từng quan sát thấy sự rối – hiện tượng cho

hai hay nhiều thực thể ở trong một mối quan hệ gần gũi hơn nhiều so với vật lí cổ điển cho

phép – trong các dao động tử cơ học.

Đây là các hệ dao động gồm một vật nặng đang dao động trên một lò xo, một dây

violon bị kéo và dao động của các nguyên tử trong một phân tử. Khi năng lượng của dao

động là cực kì thấp, thì các mức năng lượng của hệ trở nên bị lượng tử hóa và chuyển động

khi đó được mô tả bằng sự chồng chất của những trạng thái lượng tử khác nhau. Sự chồng

chất đồng thời của các trạng thái từ một vài dao động tử đưa đến cái gọi là các trạng thái rối,

trong đó các tính chất của các dao động tử thành phần tương quan với nhau theo những kiểu

không được mô tả bởi vật lí cổ điển.

Nay, John Jost và các đồng sự tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Mĩ (NIST)

ở Boulder, Colorado, vừa làm rối được hai dao động tử bằng cách đặt bốn ion – hai ion

beryllium-9 và hai ion magnesium-24 – trong giếng thế của một điện cực (arXiv:0901.4779).



Sau đó, họ đã làm rối các trạng thái nội của hai ion beryllium-9 và tách bốn ion thành

hai cặp, mỗi cặp chứa một ion thuộc mỗi loại. Việc này được thực hiện bằng cách đặt các cặp

liền kề với hai điện cực khác nhau. Theo cách này, mỗi cặp tác dụng như thể nó là một dao

động tử riêng biệt, gồm hai vật nặng nối với nhau bằng một lò xo khoảng 4 μm, với hai cặp

cách nhau một khoảng 0,24 mm.

Có thể dùng để nghiên cứu ‘tính phi cục bộ’

Để làm rối các dao động tử cơ, đội nghiên cứu đã sử dụng các chùm laser để truyền

sự rối từ các trạng thái nội của các ion beryllium-9 sang chuyển động của các cặp ion tách rời

nhau (với các ion trong mỗi dao động tử dao động lệch pha với nhau). Họ có thể duy trì sự

rối này trong khoảng chừng 100 μs.

Jost và đội nghiên cứu đã báo cáo rằng công trình của họ “mở ra thời kì trong đó sự

rối được quan sát thấy trong tự nhiên”, và nó có thể dùng để nghiên cứu “tính phi cục bộ”, sự

tương thuộc của các phép đo tiến hành ở hai địa điểm khác nhau đồng thời. Họ còn khẳng

định kĩ thuật thực nghiệm của họ “thể hiện một bước tiến quan trọng hướng tới việc xử lí

thông tin lượng tử ion bị bẫy quy mô lớn”.


Hạt chameleon lẫn trong phông nền

Các nhà nghiên cứu tại Fermilab ở Mĩ vừa tiến hành thí nghiệm đầu tiên nhằm tìm

kiếm một dạng giả định của vật chất gọi là các hạt “chameleon”. Mặc dù thất bại không tìm

thấy bất kì bằng chứng có sức thuyết phục nào cho sự tồn tại của những hạt này – cái có thể

mang lại một lời giải thích cho năng lượng tối – nhưng đội nghiên cứu đã làm chủ được việc

thiết đặt một giới hạn thấp hơn lên khối lượng của chúng.

Các hạt chameleon lần đầu tiên được đề xuất vào năm 2003 bởi Justin Khoury và

Amanda Weltman tại trường Đại học Columbia ở New York như một lời giải thích khả dĩ

cho năng lượng tối – thực thể bí ẩn chiếm tới 70% thành phần khối lượng-năng lượng của vũ

trụ và đang làm cho sự dãn nở vũ trụ tăng tốc. Các hạt chameleon (hạt tắc kè) được đặt tên

như vậy vì giống như những chú tắc kè, chúng điều chỉnh được những tính chất của chúng

theo môi trường cục bộ của chúng.

Ở những nơi mật độ vật chất tương đối cao, các hạt chameleon tương tác rất yếu với

vật chất thông thường và chỉ ở những khoảng cách rất ngắn, điều đó có thể giải thích tại sao

chúng ta cho đến nay chưa phát hiện ra dấu vết của chúng ở đây, trên Trái đất này. Tuy

nhiên, không gian liên thiên hà là nơi mật độ vật chất tương đối thấp, các hạt này tương tác

mạnh hơn nhiều với vật chất bình thường và ở những khoảng cách rất lớn. Điều này có nghĩa

là các hạt này có thể tác dụng một lực đẩy vũ trụ ra xa nhau.

Weltman (hiện làm việc tại trường Đại học Cape Town, Nam Phi) phát biểu với

physicsworld.com rằng có một vài cách kiểm tra sự có mặt của các hạt chameleon. Các nhà

vật lí có thể gửi hai vật cấu thành từ hai chất khác nhau vào trong không gian và quan sát

xem chúng bị gia tốc như thế nào bởi lực hấp dẫn theo những cách khác nhau. Các hạt cũng

có thể phát hiện ra bởi cách thức chúng tác động lên ánh sáng truyền đến Trái đất từ những

thiên hà xa xôi, mặc dù phương pháp này phụ thuộc vào một số giả thuyết không có liên

quan.

Tìm kiếm trên Trái đất này

Weltman hiện gia nhập đội ngũ với Aaron Chou và các đồng sự tại Fermilab để thực

hiện cuộc tìm kiếm đầu tiên hướng tới các chameleon trên Trái đất này. Đội nghiên cứu sử

dụng thí nghiệm GammeV của phòng thí nghiệm Fermilab, ban đầu được xây dựng để tìm

kiếm axion – một hạt giả định khác đã được nêu ra vào những năm 1970 nhưng cho đến nay

chưa phát hiện ra (Phys Rev Lett 102 030402).

GammeV là một buồng chân không thành thép có đường kính vài cm và dài vài mét.

Nếu các hạt chameleon có thể tạo ra trong buồng, thì nhiều trong số chúng sẽ không thể thoát

ra ngoài. Đó là vì khối lượng của một hạt chameleon tỉ lệ với mật độ cục bộ, nghĩa là nếu

một trong số các hạt liều lĩnh đến gần thành buồng, thì nó trở nên rất nặng. Sự tăng thêm

khối lượng này sẽ bù lại bởi sự mất động năng, nghĩa là hạt sẽ khó mà đi qua thành buồng.



Đội nghiên cứu đã tìm cách tạo ra các hạt chameleon bằng cách bắn một laser vào

một vùng của buồng chứa một từ trường rất cao. Người ta trông đợi các hạt được tạo ra trong

một vùng như thế khi hai photon tương tác nhau. Sau khi tắt laser đi, đội nghiên cứu sử dụng

các bộ nhân quang nhạy để tìm kiếm “ánh lóe” khi các hạt chameleon phân hủy thành các

photon.

Mặc dù GammeV không phát hiện ra bất kì dấu hiệu nào của các hạt chameleon,

nhưng sự có mặt của chúng trong thí nghiệm cho phép đội nghiên cứu đặt một giới hạn dưới

lên khối lượng của chameleon (khi nó tồn tại trong buồng chân không) vào khoảng 1meV.

Giới hạn này có được vì các máy dò ánh sáng nhạy với nhiễu nhiệt bên trong buồng chana

không, nó nằm ở nhiệt độ phòng.

Giảm áp suất

Chou nói rằng đội nghiên cứu hiện đang khảo sát cách thức nghiên cứu các khối

lượng lớn hơn – theo ông nói thì công việc có thể tiến hành bằng cách làm lạnh thí nghiệm

đến nhiệt độ đông lạnh, chúng sẽ có hai hiệu ứng dương tính. Thứ nhất, nó sẽ làm giảm nhiễu

nhiệt, cho phép phát hiện những mức độ sáng thấp hơn. Thứ hai, việc làm lạnh buồng chân

không cũng sẽ cho phép thí nghiệm được thực hiện dưới một chân không cao hơn nhiều

(khoảng 10-10

Torr), sẽ làm tăng sự chênh lệch mật độ giữa buồng và thành của nó lên

khoảng 10.000. Điều này nghĩa là sẽ có ít chameleon có thể thoát ra khỏi buồng, đưa đến tín

hiệu mạnh hơn.

Nhà thiên văn vật lí Malcolm Fairbairn tại trường Cao đẳng Hoàng gia London phát

biểu với physicsworld.com rằng các nhà vật lí thấy “khó mà đạt được một mô hình hoạt động

cho một trường chameleon có thể giải thích năng lượng tối bằng lí thuyết trường lượng tử

hoặc bằng lí thuyết dây”. “Thí nghiệm này thật quan trọng đối với những người muốn tạo ra

những mô hình như thế và sẽ làm tập trung ý tưởng của họ trong tương lai”, ông thêm.


Laser chụp được ảnh sự quang hợp đang hoạt động

Nguồn laser sử dụng trong nghiên cứu này được phát triển ở Khoa Vật lí, trường Cao đẳng Hoàng gia London

và công nghệ được chuyển gia sang Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton. Nó có khả năng sản sinh các xung

ánh sáng rất ngắn với cường độ rất cao gồm một ngưỡng rộng màu sắc (Ảnh: Imperial College).

Các nhà khoa học có thể đã tiến gần hơn đến chỗ hiểu được cách thức các phân tử

quang hợp chuyển tải năng lượng với hiệu suất cao như thế nhờ một thí nghiệm quang học

mới do các nhà nghiên cứu ở Ireland và ở Anh phát triển. Kĩ thuật đó cũng có thể giúp các

nhà nghiên cứu phát triển các pin mặt trời hiệu quả hơn, theo lời các nhà nghiên cứu (Phys.

Rev. Lett. 102 057402)

Có lẽ là phản ứng quan trọng nhất trên Trái đất, sự quang hợp cho phép cây xanh khai

thác năng lượng của Mặt trời bằng cách biến đổi cacbon điôxit và nước thành cacbonhydrat.

Việc thu được sự hiểu biết tốt hơn về quá trình hiệu quả này thật quan trọng với các nhà sinh

học và có thể hướng tới những công nghệ tốt hơn nhằm khai thác năng lượng mặt trời.

“Sự quang hợp là một thí dụ của nơi tự nhiên chuyển tải năng lượng một cách hiệu

quả từ một nơi trong một phân tử sang một nơi khác. Quá trình biến đổi này là cái chúng tôi

đã và đang nghiên cứu”, theo thành viên đội nghiên cứu Ian Mercer ở trường Đại học

College Dublin. “Chúng ta biết rằng các electron là các đối tượng trung chuyển năng lượng

trong các phân tử. Cái chúng ta không biết là các quy luật thiết kế cho cách thức các electron

này truyền năng lượng sang nhau”.

Để nghiên cứu những quy luật này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng những kĩ thuật đa

dạng gốc laser nhằm cố gắng tìm hiểu các tương tác phức tạp giữa các electron trong các


phân tử. Trở ngại chung với những phương pháp này là sự suy giảm chất lượng mẫu vật bởi

sự phơi sáng quá mức trước ánh sáng laser và đòi hỏi xử lí máy tính mạnh.

Phương pháp mới gọi tên là trộn sóng kết hợp đã phân giải góc (ARC) và Mercer nói

“Chúng tôi ước tính ARC nhanh hơn tới 1015

lần so với các phương pháp trộn bốn sóng trước

đây nhằm khám phá các electron ghép cặp”. “Kết quả của chúng tôi là những bức ảnh chụp

nhanh tức thời của năng lượng đang được chuyển tải giữa các electron đồng thời mang lại

cho bạn một lượng thông tin đáng kể. Không cần xử lí máy tính để lập một bản đồ hay phân

biệt các các cơ chế ghép cặp electron đối với các đặc điểm cô lập” (Phys Rev Lett 102

057402.

Một xung đa sắc

Điểm xuất phát trong hệ ARC của đội nghiên cứu là một laser femto giây phát ra các

xung năng lượng milijun ở tần số kilohertz. Ánh sáng phát ra được cho vào một sợi quang

rỗng dài 1m chứa đầy một chất khí trơ tạo ra một chùm rất ổn định và các xung có dải thông

kết hợp rộng.

“Sợi quang nhận một xung 30 fs với dải thông khoảng 30 nm ở 800 nm và trải ra trên

vùng 650 – 900 nm”, Mercer nói. “Điều quan trọng là những màu này đều liên hệ chặt chẽ

với nhau, cho phép chúng ta khảo sát một ngưỡng rộng mức năng lượng trong mẫu vật”. Phát

triển sợi được chỉ đạo bởi John Tisch và Jon Marangos tại trường Cao đẳng Hoàng gia Lon

don và công nghệ sau đó được sử dụng với laser Astra của Phòng thí nghiệm Rutherford

Appleton.

Các xung sau đó đi qua một cách tử nhiễu xạ đặt tại tiêu điểm vật của một thấu kính

(với mẫu vật nằm tại tiêu điểm ảnh), phát ra bốn chùm tia. Mercer và các đồng sự chặn lại

một trong các chùm tia và trộn ba chùm còn lại tại tiêu điểm ảnh.

Hình ảnh tức thời

“Hệ này phát ánh sáng mới ra khỏi mẫu vật ở những góc đặc biệt chi phối bởi sự bảo

toàn động lượng”, Mercer giải thích. “Bằng cách đặt một camera CCD ở nơi thích hợp, toàn

bộ các góc đi vào những nơi khác nhau trên camera. Bạn thu được một bức ảnh tức thời, hay

một bản đồ, chụp lấy toàn bộ những góc khác nhau của ánh sáng phát xạ cùng một lúc”.

Những đặc điểm đặc biệt có mặt trên tấm bản đồ cho phép đội nghiên cứu tìm hiểu

cách thức các electron trong phân tử tương tác. “Chúng ta mở rộng tấm bản đồ ra theo hướng

đường chéo bằng cách làm tán sắc ánh sáng phát xạ và sau đó khảo sát những sai lệch khỏi

đường chéo”, Bercer bình phẩm. “Chẳng hạn, sự lệch ngang của một đặc điểm khỏi đường

chéo cho bạn biết rằng các electron bị ghép cặp mạnh với nhau”.

Trong một thí nghiệm mang tính chứng minh nguyên tắc, các nhà nghiên cứu đã khảo

sát thành công một protein quang hợp phổ biến gọi tên là LH2. Hiện nay họ còn đang nghiên

cứu một chất quang điện trong gốc polymer để xem các electron bên trong hệ ghép cặp như




thế nào. “Kĩ thuật của chúng tôi mang tính tức thời”, Mercer kết luận. “Kĩ thuật này mở ra cơ

hội nhìn vào những vùng rất nhỏ của những mẫu vật giá trị cao và cho bạn câu trả lời trong

một xung laser”.

Bản đồ ARC là những bức ảnh chụp nhanh tức thời của các góc ở đó ánh sáng đi ra khỏi mẫu vật. Đốm

phía dưới biến mất khi đốm phía trên xuất hiện là một hàm của thời gian lập bản đồ, tạo lại sự chuyển

tiếp năng lượng đã biết giữa hai phần độc lập nhau của phân tử (cái gọi là B800 và B850). Tuy nhiên,

các bản đồ còn tiến triển nữa, với những dịch chuyển của một chỗ đặc trưng một cách trực tiếp cho

phép các nhà nghiên cứu phân biệt sự ghép cặp mạnh giữa các electron với sự ghép cặp electron với

chuyển động của các nguyên tử xung quanh (Ảnh: Imperial College).

Mercer nói ông thích nghe người nào đó nói muốn khai thác kĩ thuật ARC để nghiên

cứu sự chuyển tiếp năng lượng trong những hệ khác nữa.


Phát hiện chất siêu dẫn loại 1,5

Các sọc xoáy nhìn thấy trong chất siêu dẫn “loại 1,5” do Victor Moshchalkov và các đồng sự nghiên cứu. Vạch

màu trắng có chiều dài 10 μm (Ảnh: Victor Moshchalkov)

Bất kì ai từng học qua vật lí vật chất hóa đặc đều biết rằng các chất siêu dẫn có thể

phân loại rõ ràng thành loại 1 hoặc loại 2 theo cách thức chúng hành xử trong một từ trường

ngoài. Nhưng nay các nhà vật lí ở Bỉ và Thụy Sĩ vừa tìm thấy ít nhất thì một chất -

magnesium diboride – kết hợp các đặc điểm của cả hai loại, đưa đội nghiên cứu đến khẳng

định đã khám phá ra một loại chất siêu dẫn mới gọi là “loại 1,5”.

Đa số các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp thông thường thuộc loại 1, nghĩa là từ trường

thường không thể thâm nhập vào chất liệu. Tuy nhiên, từ trường có thể thâm nhập vào các

chất siêu dẫn loại 2 bằng cách tạo ra những xoáy lượng tử nhỏ xíu tăng dần số lượng khi

cường độ trường tăng lên. Từ trường đi qua cái xoáy của chất liệu bình thường tại chính giữa

của mỗi xoáy. Các xoáy đẩy lẫn nhau, và khi số lượng của chúng tăng lên, chúng hình thành

nên một mạng xoáy.

Sự phân biệt này không rõ ràng cho lắm vì dưới những điều kiện đặc biệt nhất định,

các đường sức từ có thể xuyên vào các chất loại 1. Nếu nhiệt độ của chất thay đổi đột ngột,

các xoáy sẽ hình thành nhưng sẽ hút lẫn nhau và tan biến mất lúc va chạm. Đồng thời, khi


các mẫu rất mỏng chất siêu dẫn loại 1 phơi ra trước từ trường, thì các viền xen kẽ của chất

siêu dẫn và chất bình thường có thể xuất hiện.

Hành xử theo cả hai kiểu

Nay, Victor Moshchalkov và các đồng sự tại trường Đại học Công giáo Leuven ở

Viện Công nghệ Liên bang Thụy Sĩ ở Zürich là những người đầu tiên chứng tỏ được rằng các

xoáy trong các mẫu đơn tinh thể magnesium diboride (MgB2) hành xử theo cả hai kiểu. Họ

đã đặt tên cho chất liệu là chất siêu dẫn loại 1,5 vì các xoáy của nó biểu hiện sự đẩy lẫn nhau

trên những cự li ngắn và hút lẫn nhau trên những cự li lớn hơn (arXiv:0902.0997).

Kết quả là một tập hợp các xoáy và các vùng phi siêu dẫn tổ chức thành hình ảnh sọc

viền và tơ nhện – tùy thuộc vào nhiệt độ của mẫu và cường độ của từ trường. Moshchalkov

phát biểu với physicsworld.com rằng các hình ảnh đó trông tương tự như hình ảnh thấy ở một

số tinh thể lỏng và các màng polymer, trong đó các phân tử thành phần có các tương tác hút

và đẩy tương tự.

Moshchalkov tin rằng hành trạng loại 1,5 có thể hiểu được bằng cách nghĩ tới một

chất chứa hai chất lỏng siêu dẫn gần như độc lập nhau, chúng tương tác sao cho các electron

siêu dẫn có thể chảy từ chất lỏng này sang chất lỏng kia.

Hỗn hợp tương tác

Các hệ hai chất lỏng với các xoáy thuộc loại tương tác này đã được tiên đoán vào năm

2005 bởi Egor Babaev ở trường Đại học Massachusetts ở Mĩ, người đã mô tả gồm một “hỗn

hợp tương tác của hai thành phần siêu dẫn đồng thơi biểu hiện những tính chất của sự siêu

dẫn loại 1 và loại 2”.

Moshchalkov tin rằng người ta có thể tìm thấy thêm nhiều chất loại 1,5 nữa, ngoài

magnesium diboride, chất lần đầu tiên được phát hiện là siêu dẫn vào năm 2001. Đặc biệt,

ông tin rằng một số trong những chất siêu dẫn gốc sắt đã phát hiện hồi năm ngoái là những

ứng cử viên sáng giá. Ông cũng tin rằng các chất “nhân tạo” loại 1,5 có thể chế tạo cb đặt

một lớp mỏng chất loại 1 lên trên một lớp mỏng chất loại 2 – cái đội của ông hiện đang

nghiên cứu.

Babaev trông đợi người ta sẽ nghiên cứu thêm về các chất loại 1,5 vì nó có thể hé mở

nhiều hình ảnh xoáy trước nay chưa từng thấy – với khả năng chuyển tiếp pha giữa các hình

ảnh khi cường độ từ trường biến đổi. Ngoài ra, ông nói rằng công trình nghiên cứu đó sẽ thu

hút các nhà thiên văn vật lí, những người cho rằng hành trạng loại 1,5 cũng có thể xảy ra một

trạng thái siêu dẫn của các proton mà người ta tin là tồn tại trong các sao neutron.



Dò tìm màu sắc ở cấp độ nano

Ảnh minh họa các phân tử chromophore trang hoàng trên một ống nano cacbon

(Ảnh: Sandia National Laboratories).

Các nhà khoa học ở Mĩ vừa sao chép cách thức võng mạc gửi các tín hiệu điện lên

não để xây dựng nên các detector màu sắc cấp độ nano. Những dụng cụ này, gồm các ống

nano cacbon trang hoàng với các phân tử nhạy sáng, có thể dò ra các nguồn rất yếu của ánh

sáng nhìn thấy ở những bước sóng đặc biệt và có thể có các ứng dụng trong thiên văn học và

trong sinh học.

Khả năng dò ra các photon trong vùng chỉ một vài nano mét vuông thật có ích trong

nghiên cứu các nguồn ánh sáng hoặc rất yếu, hoặc rất nhỏ. Cho đến nay, các nhà nghiên cứu

đã cố gắng thực hiện công việc này chủ yếu qua việc xây dựng những thiết bị bán dẫn, chúng

sinh ra các cặp electorn-lỗ trống khi bị chiếu sáng. Tuy nhiên, việc chế tạo những dụng cụ

như vậy với độ chính xác cỡ nano là hết sức khó khăn.

Xinjian Zhou và các đồng sự tại Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia ở California vừa

chọn một cách tiếp cận khác, phương pháp tương tự như cách thức các phân tử võng mạc hấp

thụ ánh sáng rồi sau đó biến đổi ánh sáng thành các tín hiệu điện. Quá trình này liên quan đến

việc ghép cặp các phân tử nhạy sáng với các transistor chế tạo từ ống nano cacbon thành đơn,

tức những tấm graphite cuộn lại với đường kính khoảng 1nm, và đo sự thay đổi độ dẫn của

ống nano khi các phân tử hấp thụ photon và thay đổi hình dạng (arXiv:0902.2231).



Detector và máy khuếch đại đặt kề nhau

Như Zhou giải thích, sự sắp xếp này có thể dò tìm ra các nguồn ánh sáng cực kì yếu.

“Chúng tôi có một detector và một máy khuếch đại tín hiệu chế tạo liền kề nhau trong hệ

thống của chúng tôi”, ông nói. “Với hiệu ứng khuếch đại từ transistor ống nano, chúng tôi có

thể đạt được độ nhạy cao”.

Các nhà nghiên cứu khác cũng đã chứng minh hiệu ứng này, sử dụng nhiều phân tử

nhạy sáng đa dạng, nhưng cho đến nay chỉ mới có thể dò tìm ra ánh sáng bên ngoài vùng phổ

khả kiến. Nhóm của Zhou đã mở rộng kĩ thuật này cho những bước sóng nhìn thấy, và đã

chứng tỏ được làm thế nào có thể phát hiện ra các bước sóng nằm trong những dải phổ hẹp

đặc biệt.

Zhou và các đồng sự đã làm công việc này sử dụng “chromophore” – các phân tử

phát sinh màu sắc – trên hợp chất azobenzen (gồm hai vòng nguyên tử cacbon và hydrogen

giống như benzen). Để chế tạo detector cấp độ nano của mình, họ gắn các ống nano cacbon

với một bánh xốp silicon dài 10cm, bốc bay các tiếp xúc điện trên bánh xốp, và sau đó nhúng

bánh xốp trong một dung dịch chứac chromophore, chất khi đó tự gắn chúng với

các ống nano.

Nhạy với những bước sóng khác nhau

Sau đó, họ chiếu sáng các dụng cụ ống nano cá lẻ, mỗi dụng cụ gồm một phần của

bánh xốp dài 2 μm và rộng 1nm, với ánh sáng đơn sắc nằm trong phổ khả kiến và ghi nhận

các tín hiệu điện phát sinh bởi từng loại trong số ba loại chromophore (mỗi loại nhạy với

những bước sóng khác nhau). Họ nhận thấy các detector nano của họ nhạy xuống tới khoảng

40 W/cm2, bằng một phần ba mật độ ánh sáng mặt trời đi tới mặt đất.

Bằng cách kết hợp các kết quả thực nghiệm của họ với tính toán lí thuyết, nhóm

Sandia kết luận rằng một sự thay đổi dạng hình học của các phân tử chromophore do bởi sự

chiếu sáng làm biến đổi mômen lưỡng cực điện của chromophore, cái hóa ra tạo ra một thế

tĩnh điện lên các ống nano lân cận, thực sự làm thay đổi điện áp cổng của các ống nano và do

đó làm điều hòa độ dẫn của chúng.

Theo lời Zhou, công trình đó có thể mang lại những cái nhìn quan trọng vài nền khoa

học cơ bản, bởi việc sử dụng các ống nano để nghiên cứu cách thức các phân tử cá lẻ phản

ứng với ánh sáng và biến đổi hình dạng. Ông cũng nói rằng, nếu chúng có thể được tạo ra ở

những bước sóng dài hơn một chút, thì các bộ cảm biến quang cấp độ nano của họ có thể

dùng làm các detector hồng ngoại cực nhạy trên các kính thiên văn, để chụp ảnh những vật

thể ở xa. Ngoài ra, ông tin rằng một ngày nào đó các dụng cụ như vậy sẽ được sử dụng để

xâu chuỗi gen. Một sợi đơn ADN nằm vắt qua một dải detector cấp độ nano có thể về nguyên

tắc, ông nói, bị xâu chuối nếu mỗi detector thu nhận lấy ánh sáng phát ra từ miếng huỳnh

quang trên một chất nển riêng.

Việc thương mại hóa các detector cấp độ nano, Zhou nói, tùy thuộc vào việc khắc

phục rào cản hiện đang chắn lối nhiều ứng dụng của công nghệ nano - ấy là có thể lắp ráp các


vật cỡ nano trên những diện tích lớn theo một kiểu điều khiển được. “Việc thêm

chromophore vào ống nano không khó, việc tích hợp các linh kiện điện tử để dò tìm tín hiệu

cũng không khó”, ông nói. “Nhưng giá như chúng ta có được một dải ống nano hoàn hảo với

các tính chất như mong muốn nhỉ”.


Cho phản xạ các nguyên tử để đo lực hấp dẫn

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa nghĩ ra một phương pháp thực hiện những phép đo rất chính

xác của lực hấp dẫn bằng cách cho bật các nguyên tử lên xuống khỏi một chùm laser. Không

giống như các kĩ thuật thả rơi các nguyên tử khoảng 10cm, phương pháp mới này chỉ yêu cầu

thả rơi khoảng 20 μm. Đội nghiên cứu còn cải tiến thí nghiệm để tiến hành phép đo giao thoa

nguyên tử, nhờ đó sự giao thoa lượng tử giữa các nguyên tử có thể dùng để đo những gia tốc

rất nhỏ.

Vì kích thước nhỏ gọn của nó, đội nghiên cứu tin rằng kĩ thuật có thể dùng để chế tạo

các gia tốc kế chính xác có thể dùng trong các hệ thống đạo hàng cho máy bay, tàu ngầm và

cả phi thuyền vũ trụ. Kĩ thuật đó còn có thể sử dụng trong các thí nghiệm tìm kiếm những sai

lệch khỏi định luật hấp dẫn của Newton.

Hơn hai thập niên qua, các nhà vật lí đã trở nên tinh thông ở việc bẫy và điều khiển

những số lượng nhỏ nguyên tử bằng laser và trường điện từ. Giống như mọi vật chất khác,

các nguyên tử này rơi xuống phía Trái đất, điều đó cho phép các nhà khoa học thực hiện

những phép đo rất chính xác cách thức lực hấp dẫn tác dụng lên những vật rất nhỏ và trên

những cự li tương đối ngắn.

10,000 nguyên tử cực lạnh

Kĩ thuật mới do Cass Sackett và các đồng sự tại trường Đại học Virginia ở Mĩ phát

triển, họ đã bắt đầu thí nghiệm của mình với một tập hợp khoảng 10.000 nguyên tử

rubidium-87 đã được làm lạnh tới nhiệt độ micro-Kelvin. Việc sử dụng các nguyên tử cực

lạnh như thế thật quan trọng vì chúng ít năng lượng nhiệt và do đó gần như không còn

chuyển động khi chúng bắt đầu rơi vào trong một buồng chân không (arXiv:0902.0109).

Ban đầu được giữ bằng từ trường, các nguyên tử rơi xuống khi từ trường tắt đi. Khi

chúng rơi xuống, đa số các nguyên tử va chạm với các photon phát ra bởi một diode laser đặt

ngay bên dưới bẫy, chúng phát ra các xung ánh sáng hướng thẳng lên trên khoảng một xung

mỗi 2 ms. Khi các nguyên tử va chạm, mỗi nguyên tử nhận được đúng một xung lượng chính

xác, đánh bật chúng trở lại. Các nguyên tử này sau đó rơi trở xuống lần nữa, vừa đủ để va

chạm với xung laser tiếp theo.

Nếu màu sắc của ánh sáng laser và tần số của các xung được thiết đặt thích hợp, thì

các nguyên tử sẽ được đưa vào phản xạ và gia tốc do hấp dẫn có thể suy ra từ các thông số

thực nghiệm và hằng số Planck. Đội nghiên cứu đã duy trì được sự phản xạ này trong khoảng

100 chu trình, theo lời họ như thế là tương đương với việc thả rơi các nguyên tử khoảng 2 cm

trong một thí nghiệm chuẩn bình thường. Sau khi hiệu chỉnh ảnh hưởng của từ trường tản lạc

lên các spin nguyên tử, đội nghiên cứu thu được một giá trị hằng số hấp dẫn bằng 9.814 ±

0.008 m/s2, phù hợp với giá trị mong đợi.



“Kĩ thuật của chúng tôi mang lại một phương pháp áp dụng một lực đã được biết rất

tốt cho các nguyên tử”, Sackett giải thích. “Khi biết lực cần thiết để cân bằng lực hấp dẫn,

chúng ta thu được một số đo chính xác của lực hấp dẫn”, ông thêm.

Mark Kasevich ở trường Đại học Stanford, người đã đi tiên phong sử dụng các

nguyên tử cực lạnh để đo lực hấp dẫn, phát biểu với physicsworld.com: “Đúng là một bài báo

hay – nó cho thấy chắc chắn rằng việc theo đuổi những thí nghiệm đẩy xa hơn nữa các giới

hạn độ nhạy sẽ thật hấp dẫn”.

Sẽ cải tiến thêm

Sackett phát biểu với physicsworld.com rằng đội của ông đang có kế hoạch cải thiện

độ chính xác của phương pháp bằng cách đưa các nguyên tử vào mộtt rh không nhạy với từ

trường. Đội cũng còn có kế hoạch giảm số nguyên tử bị thất thoát trong thí nghiệm – hiện

nay là khoảng 0,1% mỗi lần bật trở lại. Sackett tin rằng điều này có thể thực hiện bằng cách

cải thiện sự điều khiển của họ đối với cường độ của các xung laser.

Đội nghiên cứu cũng đã đưa ra một phương pháp sử dụng các nguyên tử để thực hiện

phép đo giao thoa nguyên tử. Nếu các nguyên tử được gửi dọc theo những lộ trình khác nhau

rồi sau đó kết hợp lại tại detector, hình ảnh vân giao thoa thu được phụ thuộc vào bất kì sự

chênh lệch nào ở gia tốc mà các nguyên tử chịu. Nếu chế tạo tích hợp với một dụng cụ di

động, các gia tốc kế kiểu như vậy có thể dùng làm bộ phận của các thiết bị đạo hàng chính

xác cao có thể hoạt động độc lập của các hệ thống GPS – khiến chúng thật hấp dẫn đối với

tàu ngầm và các ứng dụng quân sự khác.

Mặc dù kĩ thuật này mang lại một giá trị kém chính xác hơn cho gia tốc hấp dẫn so

với chỉ cho bật phản xạ một lộ trình, nhưng đội nghiên cứu tin rằng họ có thể cải thiện độ

chính xác đó lên chừng một chục lần.

Hơi mất cân bằng

Đối với giao thoa kế, cơ cấu hiện nay bị hạn chế bởi một sự hơi mất cân bằng giữa

các lực tác dụng lên hai nhóm nguyên tử - và Sackett nói rằng việc cải thiện sự mất cân bằng

này là có thể, nhưng sẽ khó thực hiện.

Sackett tin rằng một ứng dụng sớm của công nghệ này có thể là trong các phương tiện

hỗ trợ đạo hàng dùng cho xe quân sự, tàu hải dương và máy bay. Một dụng cụ như vật sẽ giữ

vết vị trí của nó bằng cách theo dõi gia tốc của nó – không cần một tín hiệu GPS, cái có thể

bị nhiễu.

Những dụng cụ như vậy cũng có thể dùng trong thăm dò dầu mỏ và khoáng sản,

Sackett nói, vì họ đủ nhỏ để hạ xuống vào các lỗ khoan để đo tỉ trọng của đất đá là hàm của

chiều sâu.

Trong tương lai, Sackett tin rằng kĩ thuật này có thể dùng để thực hiện những phép đo

rất chính xác của lực hấp dẫn trên những thang chiều dài rất ngắn – chúng có thể tiết lộ


những sai lệch khỏi định luật hấp dẫn Newton như một số lí thuyết của ngành vật lí hạt đã

tiên đoán. Tuy nhiên, ông cảnh báo rằng ngay cả việc cho phản xạ trên một vài micromet

cũng có thể là một khoảng cách quá lớn đối với những những phép đo như vậy.


Thông tin mới về mặt tối của Mặt trăng

Bản đồ trường hấp dẫn dị thường của bề mặt Mặt trăng. Mặt gần phía chúng ta nằm ở bên phải của hình, và mặt

ở xa nằm bên trái. Vạch màu ở bên dưới chỉ rõ dị thường trường hấp dẫn theo đơn vị milli-Galileo (1 mGal =

10−5

m/s2). (Ảnh: Science/AAAS)

Đa phần lịch sử và cấu trúc của Mặt trăng vẫn được hiểu biết hết sức nghèo nàn –

trong đó có nguyên nhân vì sao mặt bên này và mặt bên kia của Mặt trăng lại khác biệt nhau

nhiều như thế. Giờ thì bốn bài báo đăng trên tập san Science từ sứ mệnh SELENE của người

Nhật đã soi thêm luồng ánh sáng mới lên bí ẩn này.

Các nhà khoa học tin rằng Mặt trăng đã được hình thành cách nay khoảng 4,5 tỉ năm

trước, khi một vật thể cỡ Hỏa tinh va chạm với Trái đất thời non trẻ, làm vọt ra những lượng

lớn vật chất liên kết lại với nhau trên quỹ đạo. Người ta cho rằng đa phần của Mặt trăng thời

trẻ ở trong trạng thái nóng chảy, với đại dương mắc-ma thu được sau đó vừa kết tinh từng

phần vừa tách biệt ra và hình thành nên một lớp vỏ và lớp bao rạch ròi. Lớp vỏ này đã tôi lại

những sau đó bị bắn phá khắp nơi bởi các thiên thạch trong thời kì “oanh tạc muộn cỡ nặng”,

thời kì kết thúc cách nay khoảng 3,8 tỉ năm.

SELENE được phóng lên hồi tháng 9 năm 2007 và đã mang lại một ngưỡng rộng dữ

liệu mới cho chúng ta biết về những giai đoạn khác nhau của sự tiến hóa của Mặt trăng, và

nhất là về những điều kiện khác nhau đã tồn tại trên mặt ở gần và mặt ở xa vào thời điểm

cuối giai đoạn oanh tạc muộn cỡ nặng. Trên Trái đất, chúng ta chỉ có thể nhìn thấy hơn một

nửa bề mặt của Mặt trăng vì chu kì quay của Mặt trăng gần như bằng với thời gian cần thiết

để nó quay một vòng quanh Trái đất.


Phía bên kia rất khác

Mặt bên kia của Mặt trăng lần đầu tiên đi vào tầm nhìn vào năm 1959, khi phi thuyền

Xô Viết Luna 3 bay vòng quanh Mặt trăng – và nay chúng ta biết rằng nó rất khác với mặt

chúng ta nhìn thấy trong bầu trời đêm. Mặt ở gần bị bao phủ bởi những mảng tối lớn là

những vũng nham thạch đã hóa rắn – cái gọi là biển mặt trăng hay maria. Ngược lại, mặt ở xa

chủ yếu gồm vật chất vùng cao bị bắn phá nặng nề hơn và sáng hơn.

Việc khảo sát những điều kiện lịch sử khác nhau trên bề mặt ở gần và mặt ở xa được

thực hiện nhờ việc ghi vết vô tuyến trường hấp dẫn của Mặt trăng. Công việc này là theo dõi

độ lệch Doppler của các tín hiệu vô tuyến phát ra từ một vệ tinh – chúng bị ảnh hưởng bởi

những biến đổi vận tốc của phi thuyền khi nó đi qua những vùng có lực hút hấp dẫn mạnh

hơn hoặc yếu hơn.

Những sứ mệnh trước đây đã tiết lộ một số vùng trường hấp dẫn cao, gọi là các

“mascon” (viết tắt của mass concentration - tập trung khối lượng). Các mascon này trùng với

các maria và người ta cho rằng sức hút hấp dẫn tăng thêm trong những vùng này là do các

trầm tích núi lửa đậm đặc bên trong các maria. Tuy nhiên, một vùng như thế nằm ngay rìa

của mặt ở xa, bên dưới Mare Orientale, lại gồm một lõi hấp dẫn cao bao quanh bởi trường

hấp dẫn thấp hơn bình thường. Đặc điểm này không thể nào giải thích thỏa đáng bởi hoạt

động núi lửa và các nhà khoa học tin rằng mascon này có thể là do một phần của lớp bao đậm

đặc hơn bị ném lên vào lớp vỏ trong một vụ va chạm thiên thạch.

Ảnh minh họa vệ tinh SELEN chính (ở trên) đang tách khỏi vệ tinh kíp nhỏ hơn (bên dưới).

(Ảnh: Cơ quan Thám hiểm Vũ trụ Nhật Bản).

Tìm thấy các mascon

Các nhà khoa học tranh luận rằng có thể có những mascon khác ở phía bên kia Mặt

trăng tồn tại dưới các miệng hố không chứa đầy maria, và nay thì SELENE đã tìm thấy

những đặc điểm như thế.


Noriyuki Namiki ở trường Đại học Kyushu và các đồng sự tại Đài Thiên văn học

Quốc gia Nhật Bản đã có thể lập một bản đồ trường hấp dẫn cải tiến hơn nhiều của mặt ở xa

của Mặt trăng, sử dụng dữ liệu từ SELENE, vệ tinh gửi tín hiệu của nó về và từ Trái đất đến

qua một vệ tinh đồng hành nhỏ đặt trên quỹ đạo elip cao hơn (các vệ tinh trước đây không

thể thực hiện việc ghi vết vô tuyến khi Mặt trăng chặn mất đường nhìn của chúng với Trái

đất). Dữ liệu thể hiện một số mascon ở phía bên kia, mỗi mascon có một vùng trung tâm hấp

dẫn cao bao quanh bởi một vòng hấp dẫn thấp (Science 323 900).

Gregory Neumann ở Cơ quan Bay Vũ trụ Goddard NASA ở Maryland, người đã viết

một bài báo trên tờ Science làm bước đệm cho bốn bài báo trên, phát biểu rằng bản đồ trường

hấp dẫn mới này cho chúng ta biết rằng mặt bên kia mát mẻ hơn mặt ở gần trong thời kì oanh

tạc cỡ nặng muộn. Ông giải thích đấy là vì chỉ có những điều kiện tương đối mát mẻ mới giữ

cho lớp vỏ rắn và có khả năng bảo toàn một phần năng lượng của các va chạm dưới dạng thế

hấp dẫn, ở dạng các mascon, trong khi lớp bao nóng hơn ở mặt ở gần sẽ bị tan chảy một

phần, làm cho mắc-ma dâng lên bề mặt và phun trào. “Điều này có nghĩa là sự khác biệt giữa

mặt ở gần và mặt bên kia phù hợp hơn với những quá trình phát sinh bên trong Mặt trăng,

thay vì với các cơ chế bên ngoài như một vụ va chạm thiên thạch khổng lồ ở mặt bên này”,

ông nói.

Không có khả năng chứa nước

Trong khi đó, Hiroshi Araki ở Đài Thiên văn Quốc gia Nhật Bản ở Tokyo và các

đồng sự vừa sử dụng một cao kế laser gắn trên SELENE lập ra được một bản đồ tô pô rất chi

tiết của Mặt trăng. Phân tích phổ của bản đồ cho thấy lớp bao của Mặt trăng có khả năng

chứa một ít nước, và đây là một yếu tố quan trọng trong cấu trúc cỡ lớn của bề mặt mặt trăng,

biết rằng nước bên trong Trái đất là phương tiện mang lại sự hình thành lục địa và các mảng

nền (Science 323 897).

Trong hai bài báo kia, Takayuki Ono thuộc trường Đại học Tohoku ở Sendai và các

cộng sự báo cáo cách thức thiết bị radar của SELENE tiết lộ những lớp phản xạ trước đây

không trông thấy bên dưới maria ở mặt bên kia của Mặt trăng, cho thấy một sự mát mẻ tầm

rộng trên mặt trăng rất có thể là nguyên nhân cho sự hình thành địa chất trong vòng 2,8 tỉ

năm qua (Science 323 909), trong khi đó một đội đứng đầu là Junichi Haruyama tại Cơ quan

Thám hiểm Vũ trụ Nhật Bản ở Sagamihara mô tả các bức ảnh thu được bằng Camera Địa

hình của SELENE, và những bức ảnh này cho thấy hoạt động núi lửa ở mặt bên kia tồn tại

như thế nào cho đến ít nhất là 2,5 tỉ năm trước.


Biến chuyển mới cho truyền thông lượng tử

Các vạch hình chữ H dùng cho khảo sát và liên hợp các chùm tia.

Một kĩ thuật mới điều khiển tốc độ “truyền thông” trong các hệ lượng tử vừa được

nghĩ ra bởi các nhà vật lí ở Mĩ và Anh. Các nhà nghiên cứu đã chứng minh được một phương

pháp “chỉnh” các chùm ánh sáng để phân phối thông tin lượng tử đến những điểm đặc biệt

trong không gian và thời gian. Việc điều khiển và lưu trữ dữ liệu theo kiểu này là một bước

quan trọng hướng tới phát triển những dụng cụ truyền thông mới và cuối cùng là một máy

tính lượng tử, theo lời các nhà nghiên cứu.

Trong truyền thông lượng tử, người gửi (Alice) cho truyền tức thời trạng thái lượng

tử của một hạt đến một người nhận (Bob). Năm 1997, các nhà vật lí đã làm cho công chúng

chú ý bởi việc lần đầu tiên truyền thông các trạng thái lượng tử giữa các photon “rối”. Sự rối

là một đặc trưng của cơ học lượng tử cho phép các hạt với hai trạng thái lượng tử riêng biệt

chia sẻ một quan hệ gần gũi hơn nhiều so với vật lí cổ điển cho phép.

Hơn 12 năm qua, truyền thông lượng tử đã được chứng minh trên những khoảng cách

ngày càng xa và giữa các hạt ngày càng lớn hơn.

Nay, Alberto Marino và các đồng sự vừa giải quyết được một thách thức khác của

điện toán lượng tử - nhu cầu điều khiển dòng thông tin lượng tử. Trong thí nghiệm, hai chùm

ánh sáng bị “rối” sau đó bị làm chậm dần theo kiểu có điều khiển khi chúng truyền qua một

đám mây hơi rubidium nóng (Nature:2009.10.1038).

http://www.nature.com/nature/journal/v457/n7231/abs/nature07751.html


“Trong điện toán cổ điển, thông tin cần đi tới bộ xử lí kịp thời. Trong điện toán lượng

tử diễn ra điều y hệt như thế”, theo lời Marino, một nhà nghiên cứu thông tin lượng tử tại

trường Đại học Maryland.

Khai thác sự ngẫu nhiên

Cho đến nay, các nhà nghiên cứu đã cố công tìm kiếm cách phát triển bộ nhớ lượng

tử dùng cho việc lưu trữ dữ liệu lâu dài. Thật không may, các hệ này rất không hiệu quả, thất

thoát ít nhất 80% dữ liệu. Bằng cách làm chậm tốc độ của dòng dữ liệu lượng tử, Marino và

các đồng sự vừa tạo ra một dụng cụ nhớ ngắn hạn mà, theo lời các nhà nghiên cứu, là đáng

tin cậy hơn nhiều.

Trước tiên, đội nghiên cứu tách một chùm laser thành hai chùm trước khi chiếu nó

vào một đám mây khó rubidium nóng. Các nguyên tử rubidium chỉ có một electron liên kết

lỏng lẻo ở lớp vỏ ngoài, đưa đến một chất khí phi tuyến cao độ ở cách nó tương tác với ánh

sáng. Bên trong chất khí, các chùm laser đến bị rối trong một quá trình gọi là “trộn bốn

sóng”.

Thông tin lượng tử sau được được mang đi ở dạng các thăng giáng pha và cường độ

của các chùm tia. Thoạt đầu, thông tin truyền đi ở tốc độ ánh sáng nhưng sau đó chậm dần

theo cách có điều khiển trong đám hơi nguyên tử.

“Loại trễ này sẽ cần thiết cho việc hiện thực hóa các mạng lượng tử”, theo lời Hans

Albert Bachor, một nhà nghiên cứu điện toán lượng tử tại Đại học Quốc gia Australia.

Các ứng dụng ?

Sử dụng cơ chế này, việc nhận ra thông tin lượng tử bị trễ lên tới 27 nano giây. “Các

„hình ảnh‟ lượng tử của chúng tôi là tương đương với dữ liệu truyền trong các máy tính kĩ

thuật số”, Marino nói. Nguyên do sự trễ này không thể nào kéo dài hơn là vì dữ liệu được lưu

trữ càng lâu, thì sự nhiễu có mặt càng nhiều. “Thách thức tiếp theo của chúng tôi là bảo toàn

các mối tương quan lượng tử trong khi duy trì chất lượng của chúng”, theo lời Vincent

Boyer, cũng ở Đại học Maryland.

Theo quan điểm của Bachor, hãy còn quá sớm để xét đến các ứng dụng cho hệ thống

này, nhưng điều này “chỉ bị giới hạn bởi trí tưởng tượng của chúng ta”.

“Các ứng dụng trước mắt có thể gồm các bộ cảm biến lượng tử; những dụng cụ này

có thể hoạt động với những sự trễ rất nhỏ”, theo lời Boris Blinov, một nhà nghiên cứu các hệ

lượng tử tại Đại học Washington.


Xét lại kĩ thuật quét MRI

a, ảnh chụp MRI sóng truyền của một chân người sống.

b, một ảnh quét giống hệt thực hiện với đầu dò cộng hưởng truyền thống.

Các kĩ sư y sinh ở Thụy Sĩ vừa phát hiện ra một phương pháp mới sử dụng các máy

quét chụp ảnh cộng hưởng từ hạt nhân (MRI) để tạo ra những bức ảnh với chất lượng đồng

đều hơn. Kĩ thuật này còn có thể loại trừ yêu cầu phải đặt người bệnh trong ống hẹp khiến

nhiều người sợ hãi, nhất là đối với trẻ em.

Trong kĩ thuật quét MRI chuẩn, người ta đặt một từ trường lên cơ thể, làm cho các

mômen từ của các nguyên tử hydrogen sắp thẳng hàng. Sau đó, một tần số vô tuyến được

nhắm vào khu vực chụp ảnh, đánh bật các mômen ra khỏi sự thẳng hàng. Khi các nguyên tử

hydrogen dịu lại, chúng phát ra sóng vô tuyến và những sóng này có thể lập bản đồ để tạo

ảnh của phần bên trong cơ thể.

Kể từ khi kĩ thuật quét MRI lần đầu tiên tạo một bức ảnh mờ nhạt của cơ thể con

người vào năm 1977, thiết bị quét đó đã được tinh chỉnh để tạo ra những tấm ảnh y khoa

chất lượng cao, nhất là ảnh của các mô mềm không thể miêu tả bằng tia X. Tuy nhiên, một

khía cạnh không dễ chịu của quá trình đó là tương tác sóng vô tuyến phải xảy ra ở nơi gần

người bệnh; đây là vì tầm tác dụng ngắn của các sóng đứng vô tuyến.

Nay, trong một suy tính lại triệt để của quá trình đó, một đội đứng đầu là David

Brunner thuộc trường Đại học Zurich đã chứng minh được một phương pháp mới điều khiển

các nguyên tử hydrogen để tạo ra hình ảnh bằng cách sử dụng các sóng vô tuyến đang truyền

đi gửi và nhận và bằng một ănten. Những người điều khiển bây giờ có thể tạo ra những bức


ảnh rõ ràng hơn trên những vùng lớn hơn của cơ thể, và kĩ thuật mới sẽ giải phóng không

gian xung quanh người bệnh, theo lời các nhà nghiên cứu.

MRI tầm xa

Brunner và các đồng sự của ông đã loại bỏ các cuộn vô tuyến của máy quét MRI cổ

điển và thay thế chúng với sóng mang và ănten điều khiển từ xa. Ngoài ra, phần kĩ thuật MRI

còn lại của họ không khác gì với quá trình cổ điển. Về cơ bản, họ thay thế tương tác sóng

đứng vô tuyến bằng tương tác sóng truyền vô tuyến, có tầm tác dụng hàng mét.

Trong luận chứng của họ, Brunner và đội của ông đã đặt sóng mang hình trụ vào một

máy quét 7 Tesla và đặt một ănten ở một trong hai đầu ống. Họ đã sử dụng sắp xếp này để

tạo ra ảnh của chân dưới của một tình nguyện viên. Bằng cách kết quả của họ trên tờ Nature

(457.07752 ), họ so sánh các ảnh của mình với ảnh lấy từ máy quét truyền thống và chỉ rõ

một độ phân giải tốt hơn nhiều.

Theo các nhà nghiên cứu, sự cải tiến này với kĩ thuật quét MRI truyền thống sẽ không

đòi hỏi phải thay thế bất kì thiết bị nào hiện có ngoài việc đưa vào một sóng mang và ănten.

“Công nghệ này khá đơn giản và trong chừng mực nào đó thật sự đơn giản hơn cả những giải

pháp hiện có. Nó cũng có thể cho là an toàn vì máy phát đã được đưa xa khỏi bệnh nhân”,

theo Klauss Pruessmann, một trong các nhà nghiên cứu.

Trở ngại về mặt chính sách

Philip Grandinetti, một nhà nghiên cứu MRI tại trường Đại học Ohio, phát biểu với

physicsworld.com, “Trên lí thuyết, việc thực hiện kĩ thuật y khoa có thể hầu như là trực tiếp.

Chúng tôi đã gặp phải một chút trở ngại với việc sử dụng các trường cao đến mức phá toang

trần nhà như thế này cho việc thu ảnh chất lượng cao hơn”.

Trong Liên minh châu Âu, một trở ngại có thể xuất hiện phát sinh từ hiến pháp năm

2004 cấm phơi sáng nghề nghiệp trước các trường điện từ. Sau khi vấp phải sự phản đối kịch

liệt của cộng đồng MRI, việc thực hiện MRI và các chất chỉ thị tác nhân vật lí (EMF) đã

được hoãn lại cho đến năm 2012 để cho phép tìm một giải pháp mang tính thỏa hiệp hơn.

Nhưng với trường 7 Tesla như tính chất của kĩ thuật mới này, so với 3 Tesla của các máy

„chuẩn‟, việc phê chuẩn kĩ thuật mới này có thể gặp phải những trở ngại về mặt chính sách.

“Chúng tôi sẽ sử dụng phương pháp sóng truyền cho bao phủ đồng đều những thể tích

lớn hơn, ví dụ như toàn bộ đầu để nghiên cứu khoa học thần kinh. Chúng tôi cũng sẽ nghiên

cứu việc kết hợp kích thích sóng truyền với việc dò dải tầm ngắn, sẽ kết hợp sự kích thích

đồng đều và an toàn với lợi thế nhạy của kĩ thuật dò dải”, Pruessmann phát biểu với

physicsworld.com.



Sứ mệnh điôxit cacbon của NASA thất bại

Ảnh minh họa Đài quan sát Carbon Quỹ đạo trên quỹ đạo quanh Trái đất (Ảnh: NASA).

Các viên chức NASA tin rằng sứ mệnh đầu tiên từ trước đến nay của cơ quan này

nhằm đo hàm lượng carbon–dioxide (CO2) trong khí quyển, đã gặp trục trặc ngay sau khi

phóng lên vào sáng hôm 24/2, đã thất lạc ở Thái Bình Dương gần Nam Cực. Đài quan sát

Carbon Quỹ đạo (OCO) trị giá 270 triệu đôla được phóng lên lúc 09:55 GMT bằng tên lửa

Taurus từ Căn cứ Không quân Vandenberg ở California.

Tuy nhiên, 14 phút sau khi phóng lên, tên lửa Taurus đã gặp cự cố và vệ tinh không

thể nào tách ra khỏi nó. Theo lời các viên chức NASA thì “phần thon” – bộ phận của tên lửa

bọc lấy vệ tinh ở phía trên của tên lửa - đã không tách ra hết sau khi phóng lên.

OCO dự định quay xung quanh Trái đất ở độ cao 705km và lập bản đồ “nồng độ” các

nguồn carbon và chôn vùi trên khắp thế giới. OCO sẽ cung cấp các mẫu hàm lượng CO2 ở

khoảng 34.000 địa điểm khi nó bay vòng quanh Trái đất mỗi vòng mất 100 phút.

Khi ánh sáng mặt trời phản xạ khỏi bề mặt Trái đất, các chất khí như CO2 và oxygen

hấp thụ ánh sáng này ở những bước sóng nhất định. OCO được phóng lên với ba quang phổ

kế được điều chỉnh để phát hiện ra những thay đổi ở cường độ của sự hấp thụ này.

OCO là vệ tinh cuối cùng gia nhập “lữ đoàn A” – một bộ sáu vệ tinh quan sát Trái đất

– trong đó có CALIPSO và các vệ tinh tầm thấp tìm kiếm hàm lượng aerosol trong bầu khí

quyển Trái đất và theo dõi sự hình thành mây đã phóng lên hồi tháng 4 năm 2006.

Hồi tháng 1, cơ quang không gian Nhật Bản, JAXA, đã phóng vệ tinh đầu tiên của thế

giới dành cho theo dõi sự phát thải chất khí nhà kính. Được đặt tên là Ibuki, một cái tên rất

Nhật Bản, vệ tinh đó bay trên quỹ đạo cao 667km trên bề mặt Trái đất và có độ nhạy để phát


hiện ra những thay đổi hàm lượng CO2 vào cỡ một phần triệu mà Ibuki sẽ đo đạc ở 56.000

địa điểm trên toàn cầu.


Sapphire răng cưa giúp chế tạo polymer

Việc chế tạo các dải linh kiện kích cỡ nano mét, có trật tự, cực kì đặc, dùng cho các

dụng cụ điện tử thế hệ tiếp theo là công việc chẳng dễ dàng gì, nhưng các nhà nghiên cứu ở

Mĩ vừa đi tới một phương pháp mới xử lí vấn đề này.

Kĩ thuật của họ gồm việc đặt một màng mỏng khối chất đồng trùng hợp lên trên bề

mặt của một bánh xốp sapphire có bán trên thị trường. Quá trình tạo ra các màng lớn cấu trúc

nano xếp chặt và có trật tự cao hầu như không có khiếm khuyết gì (Science 323 1030 ).

Các gợn răng cưa hình thành bằng cách cắt và đun nóng một tinh thể sapphire, hình trên, đóng vai trò dẫn

hướng cho quá trình tự lắp ráp của các thành phần cấp độ nano thành một mẫu có trật tự trên những bề mặt lớn

tùy ý. Các nhà nghiên cứu nói kĩ thuật mới, dễ thực hiện này có thể làm biến đổi ngành công nghiệp lưu trữ dữ

liệu. (Ảnh: Dong Hyun Lee, UMass Amherst).

Kĩ thuật này có thể dẫn đến những cải tiến ngoạn mục về dung lượng lưu trữ dữ liệu

của các phương tiện điện tử, theo lời Tom Russell tại trường Đại học Massachusetts

Amherst, Ting Xu tại trường Đại học California Berkeley và các đồng sự.

Công trình nghiên cứu mới dựa trên thực tế là các phân tử trong các màng mỏng khối

chất đồng trùng hợp – hai hoặc nhiều chuỗi polymer không giống nhau về mặt hóa tính liên

kết với nhau – sẽ tự lắp ráp thành các mẫu có trật tự khi trải ra trên một bề mặt.

Tuy nhiên, vấn đề trước nay gặp phải là trật tự bị phá vỡ khi diện tích tăng lên. Sự

thiếu trật tự này có nghĩa là bạn không còn có thể ghi hay đọc từng domain riêng lẻ, nghĩa là

những mẫu như thế không thể dùng trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu.

Các gợn hình răng cưa

Russell, Xu và các đồng sự vừa khắc phục trở ngại này bằng cách xếp lớp các màng

chất đồng trùng hợp lên trên bề mặt của một tinh thể sapphire “miscut” có bán trên thị trường

– một tinh thể cắt vào một góc nhỏ với một mặt phẳng nguyên tử. Khi tinh thể này bị đun

http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/323/5917/1030


nóng lên giữa 1300 và 1500oC trong 24 giờ, bề mặt của nó tổ chức lại thành những mẫu gợn

hình răng cưa một cách có trật tự khi đó có thể dùng để dẫn hướng cho quá trình tự lắp ráp

của khối chất đồng trùng hợp.

Thể hiện ở đây là một ảnh chụp bằng kính hiển vi lực nguyên tử của các thành phần cấu trúc nano cực đặc, có

trật tự cao, nhìn từ trên xuống. Các chất, kích thước chỉ 3 nm và mỗi chấm cách đều những chấm khác, phân bố

ở mật độ 10 terabit mỗi in vuông. Các nhà nghiên cứu nói mật độ có thể thu được với công nghệ mới này có thể

một ngay nào đó cho phép dung lượng của 250 đĩa DVD đưa gọn vào trên một bề mặt kích cỡ chỉ một phần tư

(Ảnh: Soojin Park, UMass Amherst).

Sử dụng kĩ thuật của họ, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc chế tạo các dải

hầu như không có khiếm khuyết đo hơn 3 x 3 cm2 chứa từng thành phần cá lẻ với kích cỡ đặc

trưng 3 nm. Kết quả này tương đương với mật độ lưu trữ dữ liệu tiềm năng lên tới khoảng 10

terabit mỗi inch vuông. Trái lại, các ổ cứng thương mại tốt nhất hiện chỉ có thể lưu trữ thông

tin với mật độ khoảng 200 gigabit mỗi inch vuông – khoảng chừng một phần năm mươi mật

độ thu được bởi kĩ thuật mới.

Mặc dù sapphire được sử dụng trong nghiên cứu này, nhưng Russell và Xu giải thích

rằng các chất tự kết tinh đơn tinh thể khác, như silicon, cũng có thể dùng để chỉ dẫn cho quá

trình lắp ráp.

Kĩ thuật này cũng tốt hơn so với song song các phương pháp tạo mẫu nano “từ trên

xuống”, ví dụ như quang khắc nano, một kĩ thuật đắt tiền, không thân thiện với môi trường

(nó sử dụng các hóa chất độc hại) và nhanh chóng đạt tới các giới hạn phân giải của ánh

sáng.

Các nhà nghiên cứu đã đăng kí bằng phát minh cho công nghệ này.


Cơ học trên sa mạc

P. Claudin trên đỉnh một đụn cát trong sa mạc đông Algeria, gần Hassi Messaoud. (Ảnh: B. Andreotti)

Những đụn cát khổng lồ có thể tụ họp lại thành một trong những hình ảnh ngoạn mục

nhất trong tự nhiên, tuy nhiên, cơ sở cơ học của sự hình thành của chúng từ lâu vẫn là một bí

ẩn. Nay một nhóm nhà vật lí ở Algeria, Mĩ và Pháp, đề xuất rằng tô pô học của những địa

hình kiểu này bị chi phối bởi chiều dày của lớp khí quyển phía trên; một quá trình tương tự

như các đụn cát hình thành trên đáy sông. Kết quả tìm kiếm này có thể đóng vai trò một điểm

xuất phát cho việc lập mô phỏng sự tiến hóa lâu dài của các môi trường sa mạc, theo lời các

nhà nghiên cứu.

Sau một chuyến thám hiểm đến erg (“biển cát”) Algeria, các nhà nghiên cứu đã kết

hợp các phép đo trường với các tính toán khí động lực học để lập mô hình sự tương tác giữa

đất nền sa mạc và bầu khí quyển. Họ phát hiện trong đó tồn tại một mối tương quan giữa

khoảng cách giữa các đụn cát và chiều cao của lớp ranh khí quyển chồng phía trên – phần khí

quyển tương tác trực tiếp với bề mặt Trái đất (Nature 457 1120).

“Nghiên cứu này thật cơ bản: về nguyên tắc, các kết quả của chúng tôi áp dụng cho

mọi sa mạc cát, nơi có sẵn lượng cát cho gió mang đi đủ lớn”, theo Philippe Claudin, một

trong các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Laboratoire de Physique et Mecanique ở

Paris.

Học được từ dòng sông

Hình ảnh êm đềm của những đụn cát phân bố đều đặn trên đáy sông thật ra là kết quả

của tô pô học đáy sông gồ ghề. Sự không đồng đều trên đáy sông gây ra các xoáy cuộn trong

nước; đưa đến các sóng mặt thành ra làm ổn định dòng nước chảy dọc theo đáy sông. Kết



quả đó là một sự lặp lại điều khiển được của những “con sóng” trên phù sa sông, nơi bước

sóng tỉ lệ thuận với chiều sâu của con sông.

Theo Claudin và các đồng sự của ông, các tính toán cho thấy một quá trình tương tự

xảy ra trong các môi trường sa mạc. Ở đây, thay cho mặt sông, lớp ranh khí quyển là một bộ

thăng bằng cho những “con sóng” trên sa mạc – lớp ranh khí quyển càng dày thì khoảng cách

giữa các đụn cát khổng lồ lân cận nhau càng lớn.

So sánh khoảng cách giữa các đụn cát từ những sa mạc trên khắp thế giới với chiều

dày lớp ranh khí quyển phủ lên trên, các nhà nghiên cứu đã giải thích được ngưỡng khoảng

cách trung bình 300m trên các sa mạc đất đá miền duyên hải cho đến 3,5km trong đất liền.

Đồng thời, trái với các lí thuyết trước đây, các nhà nghiên cứu báo cáo rằng những đụn cát

khổng lồ không phát triển theo kiểu đều đều mà là kết quả từ sự tương tác phi tuyến của

những đụn cát nhỏ.

Một bức tranh hoàn chỉnh ?

“Nghiên cứu này thật sự rất thuyết phục ở chỗ sự tác động ổn định tổng thể của khí

quyển tự do thật sự giữ vai trò trung tâm trong việc hạn chế kích cỡ của những đụn cát khổng

lồ”, theo lời Eric Partelli, một nhà nghiên cứu đụn cát ở trường Đại học Stuttgart.

Các nhà nghiên cứu khác thì không chắc cho lắm về tính trọn vẹn của lí thuyết này.

“Cơ chế được đề xuất rất quyến rũ, nhưng tôi cho rằng bây giờ họ có thể tính thời gian phát

triển và so sánh hình dạng cuối cùng của các đụn cát với các số đo thực trên thế giới”, theo

Hans Herrmann, một nhà nghiên cứu vật chất dạng hạt tại trường Đại học Zurich.

Claudin phát biểu với physicsworld.com rằng đội của ông hiện đang có kế hoạch

nghiên cứu những đồng cát đặc biệt một cách chi tiết hơn. “Chúng tôi sẽ bắt đầu khảo sát các

đụn cát thuộc mọi kích cỡ để vượt qua vấn đề cỡ độ lớn”.


Kính hiển vi nhìn rõ được bề mặt Fermi

Vân giao thoa tạo ra bởi một nguyên tử cobalt bên dưới một bề mặt đồng. Hai hình nhỏ bên dưới thể hiện những

tính toán lí thuyết khác nhau của cái người ta trông đợi vân giao thoa trông giống như vậy (Ảnh: Science).

Kính hiển vi quét chui hầm (STM) đã được sử dụng trong gần ba thập kỉ để nghiên

cứu các bề mặt kim loại và chất bán dẫn. Nhưng nay các nhà vật lí ở Đức vừa phát hiện thấy

rằng thiết bị đó có thể dùng để đo hành trạng của các electron tương đối sâu ở bên trong một

chất.

Theo các nhà nghiên cứu, kĩ thuật đó mang lại một phương pháp hoàn toàn mới đo

đạc hình dạng của “bề mặt Fermi” – ranh giới giữa các trạng thái electron bị chiếm giữ và

không bị chiếm giữ xác định nhiều tính chất của các kim loại và chất bán dẫn. Và vì STM có

thể nhạy với spin của các electron, nên kĩ thuật đó có thể dùng để mô tả những cấu trúc từ

nhỏ xíu dùng trong các thiết bị lưu trữ dữ liệu.

STM hoạt động bằng cách đặt một đầu mút kim loại cực nhọn (với chỉ một nguyên tử

tại đỉnh của nó) rất gần với bề mặt muốn khảo sát. Khi thiết đặt một điện áp giữa đầu nhọn và

mẫu vật, các electron chui hầm vào hoặc ra khỏi chất liệu. Cỡ của dòng điện chui hầm liên hệ

với các tính chất bề mặt của chất liệu, ví dụ như sự sắp xếp vị trí của từng nguyên tử riêng lẻ.

Alexander Weismann và các đồng sự tại trường Đại học Goettingen, Viện Nghiên

cứu Chất rắn ở Juelich và trường Đại học Martin Luther ở Halle đã thực hiện khám phá của


họ trong khi đang phát triển một kĩ thuật STM dùng cho định vị các tạp chất nguyên tử bên

dưới các bề mặt kim loại (Science 323 1190).

Các mặt sóng va chạm

Kĩ thuật này liên quan đến việc nghiên cứu các mẩu đồng chứa những lượng nhỏ

cobalt. Các electron đưa từ đầu nhọn STM vào đồng tinh khiết sẽ di chuyển trong những mặt

sóng giống hệt như các gợn sóng hình thành bởi một hòn đá rơi xuống nước. Tuy nhiên, nếu

các gợn sóng đó chạm phải một nguyên tử cobalt, thì chúng có thể bị tán xạ trở lại bề mặt nơi

đó chúng giao thoa để hình thành nên vân giao thoa có thể phát hiện ra bởi STM.

Trong khi kĩ thuật đó có thể định vị các nguyên tử cobalt, đội nghiên cứu đã thật ngạc

nhiên khi nhìn thấy hình ảnh giao thoa phức tạp hơn so với mong đợi từ các gợn sóng đơn

giản. Thay vào đó, vân giao thoa phù hợp với sự đối xứng cơ bản của mạng tinh thể đồng.

Nguyên do, theo các nhà nghiên cứu, là vì các gợn sóng đang tập trung vào những hướng

nhất định bên trong đồng – một hiệu ứng xác định bởi hình dạng của bề mặt Fermi.

Thành viên đội nghiên cứu, Martin Wenderoth tại Goettingen phát biểu với

physicsworld.com rằng kĩ thuật đó nhạy với hình dạng của toàn bộ bề mặt Fermi. Trái lại, các

kĩ thuật đã biết dùng để đo bề mặt Fermi, như kĩ thuật cộng hưởng cyclotron electron và phát

xạ quang phân giải góc, chỉ làm sáng tỏ những phần lọc lựa của nó.

Wenderoth nói kĩ thuật đó có thể dùng để nghiên cứu các dao động cục bộ hình dạng

của bề mặt Fermi. Ví dụ, nó có thể dùng để nghiên cứu các tiếp giáp ẩn mất trong các cấu

trúc nhiều lớp kích cỡ nano mét.

Hai bề mặt Fermi

Đặc biệt, kĩ thuật đó có thể rất hữu ích trong việc mô tả các cấu trúc phân lớp như các

cấu trúc dùng trong các đầu đọc từ trở khổng lồ (GMR) cho các ổ cứng máy tính. Đấy là vì

các chất liệu từ tính như sắt và cobalt có hai bề mặt Fermi khác nhau – một cho các electron

spin up và một cho các electron spin down.

STM phân cực spin, thiết bị nhạy với spin của các electron chui hầm, sẽ nhìn thấy

hai hình ảnh giao thoa nếu các electron đi qua một lớp từ tính – một cho các electron spin up

và một cho các electron spin down. Bằng cách quan sát hai hình ảnh khác nhau đó, các nhà

nghiên cứu có thể thu được cái nhìn sâu sắc vào những tính chất từ và cấu trúc của các lớp từ

tính chôn vùi bên dưới một bề mặt.

http://www.sciencemag.org/current.dtl


Quan sát sự rối lượng tử bằng mắt trần ?

Một photon độc thân được khuếch đại qua sự nhân dòng thông qua sự phát xạ cưỡng bức trong một tinh thể phi

tuyến (khối màu cam). Các photon nhân dòng được tách thành hai mode phân cực trực giao bằng một bộ lọc

phân cực và mỗi mode được phát hiện bằng một mắt trần. Cơ sở phân cực có thể biến đổi với sự hỗ trợ của một

đĩa sóng (khối màu xanh lá) (Ảnh: Nicolas Gisin).

Các thí nghiệm làm hé lộ tính kì lạ của thế giới lượng tử thường liên quan đến những

thiết bị chính xác và có tính chuyên dụng cao. Nhưng giờ các nhà vật lí ở Thụy Sĩ và Anh

vừa đề xuất một phương pháp sử dụng thị lực con người để quan sát hiệu ứng hoàn toàn

lượng tử của “sự rối”.

Thí nghiệm đó – cho đến nay chưa được tiến hành trong phòng thí nghiệm – sẽ làm

rối một cặp photon và sau đó tạo ra hàng nghìn bản sao giống hệt nhau của một electron của

cặp đó sao cho chúng có thể nhìn thấy được bằng mắt người.

Các hạt bị rối có quan hệ chặt chẽ với nhau hơn nhiều so với cơ học cổ điển cho phép.

Chẳng hạn, sự phân cực của một photon được tiết lộ tức thời bằng cách đo sự phân cực của

đối tác rối của nó, bất chấp khoảng cách giữa các photon.

Thí nghiệm mới, do Nicolas Gisin và các đồng sự tại trường Đại học Geneva và Đại

học Bristol đề xuất, trước hết sẽ tạo ra một cặp photon rối. Việc này có thể thực hiện, chẳng

hạn, bằng cách cho ánh sáng đi qua một tinh thể phi tuyến trong đó một photon năng lượng

cao hơn bị hấp thụ, sau đó là sự phát xạ ra hai photon năng lượng thấp hơn

(arXiv:0902.2896).

Các photon nhân dòng

Một trong các photon sau đó được “nhân dòng” để tạo ra hàng nghìn photon giống

hệt nhau. Việc này thực hiện bằng sự phát xạ cưỡng bức – quá trình tương tự như cơ chế

laser – nhờ đó photon ban đầu được gửi qua một môi trường bơm quang học.

Vì các photon nhân dòng được tạo ra trong một quá trình kết hợp, nên nó tạo ra một

xung ánh sáng cường độ đủ mạnh để nhìn thấy với mắt trần – lúc này bị rối với photon ban



đầu thứ hai. Đo sự phân cực của xung sáng đó, vì thế, sẽ tiết lộ sự phân cực của photon thứ

hai.

Đội nghiên cứu đề xuất đo sự phân cực của xung đó bằng cách cho nó đi qua một bộ

lọc phân cực, bộ lọc cho phép ánh sáng với hướng phân cực song song đi qua đồng thời chặn

lại ánh sáng có hướng phân cực vuông góc 90o. Hai người quan sát – một nhìn dọc theo

hướng song song và một nhìn theo đường vuông góc – khi đó có thể xác định sự phân cực

của từng xung.

Trong khi đó, trạng thái phân cực của photon thứ hai trong cặp sẽ được xác định bằng

cách cho nó đi qua một bộ lọc phân cực tương tự được ghi lại bởi hai detector photon nhạy.

Tiên đoán kết quả

Nếu như thí nghiệm đó thành công, con người sẽ có thể đoán trước kết quả của phép

đó trên photon thứ hai dựa trên trạng thái phân cực quan sát thấy của xung sáng. Nói cách

khác, nếu xung đó bị phân cực thẳng đứng, thì photon thứ hai sẽ bị phân cực ngang.

Trong khi sự rối ở các photon đã được quan sát thấy lần đầu tiên hơn 30 năm trước,

Gisin sôi nổi chỉ ra một sự khác biệt quan trọng giữa thí nghiệm này và các thí nghiệm trước

đây. Trong nghiên cứu trước đây, việc chọn lựa phép đo buộc cặp photon rối vào các trạng

thái phân cực riêng biệt được thực hiện trước khi trạng thái đó được khuếch đại đến mức có

thể cảm nhận bởi người quan sát. Ví dụ, một photon độc thân đi qua một bộ lọc phân cực và

sau đó biến đổi thành một xung điện khuếch đại bằng một detector.

Trái lại, trong thí nghiệm này, trạng thái rối được khuếch đại đến mức độ con người

trước khi phép đo được thực hiện - thực sự mang nhà quan sát tiến thêm một bước gần hơn

đến thế giới kì lạ của cơ học lượng tử. Thật vậy, Gisin tin rằng nếu thành công, thí nghiệm đó

có thể sẽ mở rộng đến nhân dòng photon rối thứ hai và sử dụng tổng cộng bốn người quan sát

để xác nhận sự rối.

‘Thí nghiệm tao nhã’

Seth Lloyd tại Viện Công nghệ Massachusetts phát biểu với physicsworld.com rằng

đề xuất đó “thật sự đáng kể bởi việc nghĩ ra một thí nghiệm tao nhã trong đó mắt người đóng

vai trò là một detector rối theo một kiểu rất hiệu quả”. Tuy nhiên, ông cũng chỉ ra rằng mắt

người là một detector ánh sáng cực kì hiệu quả, cho nên chẳng có gì ngạc nhiên khi nó được

sử dụng để phát hiện sự rối.

Thật vậy, các thách thức liên quan đến việc thật sự tiến hành thí nghiệm chủ yếu liên

quan đến quá trình nhân dòng, theo Gisin. “Việc nhân dòng không thể thực hiện”, ông giải

thích, thêm rằng sự phát xạ tự phát không mong muốn trong quá trình nhân dòng sẽ tạo ra

một số lượng đáng kể photon không bị rối.


Trở ngại này có thể khắc phục bằng một kĩ thuật gọi là nhân dòng “đồng biến pha”,

nhưng không loại trừ hết. Kết quả là thí nghiệm đó sẽ phải lặp lại nhiều lần trước khi các nhà

quan sát nhìn thấy đủ các xung rối để xác nhận hiệu ứng.

Một thách thức nữa, theo Gisin, là việc tạo ra các xung nhân dòng của ánh sáng xanh

lá, laoij ánh sáng mà mắt người nhạy nhất. Đa số các hệ nhân dòng hiện nay tạo ra các

photon trong vùng hồng ngoại.

“Trước hết, chúng tôi có kế hoạch khuếch đại photon để nó có thể được nhìn thấy”,

Gisin nói, “phần việc còn lại thì tương đối dễ dàng”.


Khai thác năng lượng từ các dao động bên trong cơ thể

Một con lắc vừa được phát minh với một đòn cân áp điện bốn lớp kẹp chặt ở một đầu hành xử trong

cấu hình này giống như một dao động tử lưỡng bền. Các dao rung động ngẫu nhiên làm cho con lắc

đung đưa với những dao động nhỏ xung quanh một trong hai vị trí cân bằng và gây ra những chệch

hướng lớn từ vị trí này đến vị trí kia. Năng lượng khai thác trong trường hợp này tăng từ 400% đến

600% so với các dao động tuyến tính chuẩn. Xem video trình diễn tại

http://www.nipslab.org/node/1676

Những bộ cảm biến nhỏ xíu với khả năng linh động có thể là một trợ thủ đắc lực cho

các bác sĩ, phản hồi thông tin từ một số vị trí khó tiếp cận bên trong cơ thể người. Tuy nhiên,

một vấn đề phát sinh trong việc cấp nguồn cho những dụng cụ này; các tế bào nhiên liệu

chuẩn thật quá lớn và rất khó “thay pin” một khi bộ cảm biến đã ở bên trong cơ thể. Các nhà

nghiên cứu ở Italy vừa đề xuất một giải pháp trong đó các linh kiện điện tử linh động “khai

thác” năng lượng của các dao động tự nhiên bên trong cơ thể người.

“Trong 5 đến 10 năm tới, chúng ta sẽ phải đối mặt với một số lượng khổng lồ các cơ

chế ở thang bậc micro. Một câu hỏi lớn đó là: làm thế nào chúng ta cấp nguồn cho chúng?”,

theo lời Luca Gammaitoni, một trong các nhà nghiên cứu tại Đại học Perugia.

Gammaitoni và các đồng sự của ông có ý tưởng chế tạo các bộ cảm biến từ các chất

áp điện, các chất phát ra những dòng điện nhỏ xíu khi bị gập lại bởi các dao động ở xung

quanh. Mặc dù nguyên lí biến đổi các nhiễu động xung quanh thành năng lượng có ích không

phải là ý tưởng gì mới mẻ, nhưng các nhà nghiên cứu trên đưa ra một kĩ thuật nhằm khai thác

“băng rộng” một ngưỡng rộng của các dao động.

Để chứng minh khái niệm đó, các nhà vật lí đã lấy một đòn cân áp điện và đưa nó vào

dao động tuyến tính lẫn phi tuyến. Báo cáo kết quả của họ trên tờ Physical Review Letters, họ

khẳng định rằng các dao động tử phi tuyến mang lại năng lượng cao gấp 4 đến 6 lần so với

các dao độngt ử tuyến tính.

http://www.nipslab.org/node/1676


Các phương pháp hiện có nhằm khai thác năng lượng tập trung vào việc khai thác các

dao động ở những tần số cộng hưởng nhất định. Tuy nhiên, theo Gammaitoni và các đồng sự

của ông thì cách tiếp cận này không thích hợp cho các dụng cụ hoạt động ở bên trong cơ thể

người, nơi đa phần các dao động xung quanh phân bổ trên một phổ rộng tần số. Cho nên, các

nhà vật lí này đã thiết kế một thí nghiệm để xác định, dạng một nguyên tắc chung, xem các

dao động tử phi tuyến có cho phép một sản lượng năng lượng lớn hơn so với các dao động tử

tuyến tính hay không.

Cơ cấu thí nghiệm gồm một quả lắc nặng bằng thép, dao động của nó được điều khiển

bằng các nam châm ở mỗi bên của đầu con lắc. Gắn liền với quả nặng con lắc là một đòn cân

chất liệu áp điện bị kẹp chặt ở dưới đế và vì thế sẽ bị uốn cong mỗi khi con lắc đu đưa. Bằng

cách thay đổi khoảng cách giữa các nam châm và quả nặng bằng thép, các nhà nghiên cứu có

thể tạo ra các dao động tuyến tính lẫn phi tuyến.

“Đây là một phương pháp hoàn toàn mới nhằm khai thác năng lượng từ các dao động

phi tuyến. Tuy nhiên, việc hạ cỡ nguyên tắc này xuống để chế tạo các dụng cụ y sinh hữu ích

sẽ là một thách thức vì công suất phát tỉ lệ với sự uốn vồng bên trong – nếu con lắc không

được cho chuyển động xa lắm, nó không thể tạo ra nhiều năng lượng”, theo lời Eric

Yeatman, một nhà nghiên cứu kĩ thuật điện tử tại trường Cao đẳng Hoàng gia London.

Bằng phát minh cho kĩ thuật mới này do Wisepower giữ, một công ti spin-off do

Gammainoti và các đồng sự của ông thành lập ở Perugia. Wisepower bây giờ sẽ chuyển sự

chú ý của họ sang những thách thức thực tiễn của việc chuyển đổi nguyên tắc này thành

những dụng cụ hoạt động được, Gammaitoni phát biểu với physicsworld.com.

“Chúng tôi đang hướng tới phát triển một nguyên mẫu có thể lát đường cho các ứng

dụng ở thang bậc micro. Một trong những trở ngại lớn của chúng ta hiện nay là tìm nguồn tài

trợ - Italy dạo này không phải là nơi lí tưởng cho sự phát triển. Hiện nay, chúng tôi đang mở

cửa kêu gọi các nhà đầu tư đến từ khắp nơi trên thế giới”, Gammaitoni nói.


Tàu vũ trụ Kepler rời bệ phóng

Tàu vũ trụ Kepler đang được chuẩn bị phóng lên (Nguồn: NASA)

Một sứ mệnh nhằm tìm kiếm các hành tinh nằm ngoài hệ mặt trời của chúng ta có thể

thích hợp cho sự sống vừa được phóng lên từ mũi Canaveral, Florida, vào cuối hôm 6/3, vào

lúc 22:48 giờ địa phương.

Sứ mệnh ba năm mang tên Kepler sẽ hướng tới khảo sát 100.000 ngôi sao tìm các vật

thể kích cỡ Trái đất. Tiêu tốn 590 triệu đô la, phi thuyền NASA này sẽ nhắm tới xác định tỉ lệ

sao có một Trái đất quay xung quanh chúng và chỉ dẫn cho những sứ mệnh tương lai trong

việc định vị những kẻ song sinh kiểu Trái đất có thể được nghiên cứu thận trọng nhằm tìm

bất kì dấu hiệu nào của sự sống.

Nếu được phóng lên thành công, phi thuyền sẽ đi vào một “quỹ đạo thử nghiệm” sẽ

rơi ra phía sau Trái đất xấp xỉ 18 triệu km mỗi năm. Từ đây, nó sẽ dõi theo một phần của bầu

trời trong hi vọng bắt gặp bất kì ngôi sao nào đó “chớp mắt” khi một hành tinh đi qua phía

trước nó.


Camera vũ trụ lớn nhất

Tàu vũ trụ Kepler có camera lớn nhất từng được đưa vào không gian. Dải CCD của

nó có hơn 94000 pixel sẽ ghi hình 105 độ vuông của bầu trời.

Phát biểu trước khi phóng phi thuyền, James Fanson, quản trị viên dự án Kepler tại

Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực (JPL) của NASA ở California, nói rằng Kepler sẽ là

“một bước tiến quan trọng trong cuộc truy tìm của chúng ta nhằm tìm hiểu xem chúng ta có

phải là những kẻ đơn độc trong vũ trụ hay không”. Nếu loại hành tinh của chúng ta là phổ

biến, thì Kepler có thể thấy hàng trăm sự đi qua cỡ Trái đất, nhưng nó cũng có thể chẳng thấy

gì cả nếu như các hành tinh đất đá là hiếm có.

Hơn 330 hành tinh ngoài hệ mặt trời hiện đã được biết tới, nhưng đa phần chúng là

những “kẻ khổng lồ chất khí”. Những hành tinh này dễ phát hiện nhất với các kĩ thuật “vận

tốc hướng tâm” truyền thống, đo sự chao đảo mà lực hấp dẫn của chúng tác động lên ngôi

sao. Tàu Kepler sẽ sử dụng một kĩ thuật khác, tìm kiếm những sự thay đổi độ sáng của một

ngôi sao khi một hành tinh băng qua phía trước nó.

Không bị khí quyển làm lu mờ

Trong vài năm qua, các kính thiên văn nhỏ, chuyên dụng, đặt trên mặt đất đã phát

hiện ra hơn 50 hành tinh đang đi qua như vậy, với bán kính từ 5 đến 20 lần bán kính Trái đất.

Những lợi thế lớn của tàu Kepler so với những thiết bị này là nó sẽ không bị hạn chế bởi sự

lu mờ do khí quyển và sẽ không chịu các thăng giáng nhiệt độ hàng ngày trong thiết bị. Vì

thế, nó sẽ có thể đo những thay đổi nhỏ cỡ 10 phần triệu độ sáng của các ngôi sao.

Nhà nghiên cứu chính William Borucki thuộc Trung tâm Nghiên cứu Ames NASA ở

California, ví von độ nhạy này với việc nhìn thấy một con bọ chét đang bò qua một ngọn đèn

pha ô tô ở xa. “Cái thật hấp dẫn với tàu Kepler là nó sẽ phát hiện những hành tinh nhỏ hơn

nhiều so với cái chúng ta có thể thực hiện từ trên mặt đất”, theo Coel Hellier ở trường Đại

học Keele ở Anh, một thành viên của chương trình khảo sát sự đi qua lớn nhất thế giới đặt

trên mặt đất gọi tên là SuperWASP.

Chẳng dễ dàng gì

Việc nhìn thấy những thay đổi nhỏ trong độ sáng của một ngôi sao khi một hành tinh

đi qua thật chẳng dễ dàng gì. Nếu một ai đó ở trên một hành tinh khác đang nhìn vào Mặt trời

của chúng ta, họ sẽ cần phải phát hiện ra một sự giảm 84 phần triệu của độ sáng để chú ý tới

hành tinh của chúng ta. Cho dù họ có khả năng này đi nữa, thì họ sẽ phải kiên nhẫn chờ đợi

để bắt được sự đi qua 13 giờ chỉ xảy ra một lần mỗi năm.

Hơn nữa, chỉ có 0,5% xác suất cho cơ sở hình học là thích hợp đối với việc nhìn thấy

một lần Trái đất đi qua – nói cách khác, các nhà quan sát ở bên ngoài này phải nhìn Mặt trời

theo mặt phẳng quỹ đạo của nó.


Để giải quyết sự khác biệt nhỏ này, sứ mệnh Kepler đã chọn một mẫu lớn: 100 000

ngôi sao cách Trái đất 150 đến 2500 năm ánh sáng theo hướng của chòm sao Thiên nga

(Sygnus). Nếu như mỗi một trong những ngôi sao này có một hành tinh cỡ Trái đất, thì tàu

Kepler sẽ quan sát thấy nhiều nhất là 500 trong số chúng.

Hành động tiếp theo

Các hành tinh có sức hấp dẫn nhất sẽ là các hành tinh nằm trong cái gọi là vùng có

thể ở được, nơi hành tinh có nhiệt độ thích hợp cho nước lỏng – một yêu cầu thiết yếu cho sự

sống. Để biết một hành tinh đang đi qua trong quỹ đạo của nó có ở trong vùng này hay

không, các nhà thiên văn sẽ quan sát ít nhất ba hoặc bốn lần đi qua, từ đó họ sẽ có thể xác

nhận chu kì của hành tinh.

Bằng cách đưa vào một ước tính độc lập về khối lượng của ngôi sao nóng, khi đó họ

có thể tính ra bán kính quỹ đạo bằng các định luật chuyển động do nhà thiên văn học Johnnes

Kepler suy luận ra vào năm 1609.

Tàu Kepler không phải là khảo sát sự đi qua đầu tiên từ ngoài vũ trụ. Sứ mệnh lớn

nhất hiện nay là CoRoT, lãnh đạo là Cơ quan Không gian Pháp (CNES) với sự đóng góp từ

Cơ quan không gian châu Âu (ESA) và các quốc gia khác.

Những hành tinh ngoại nhỏ nhất từ trước đến nay

Được phóng lên năm 2007, CoRoT cho đến nay đã phát hiện ra bảy sự đi qua và các

nhà nghiên cứu hiện đã công bố xác nhận tìm thấy hành tinh nhỏ nhất ngoài hệ mặt trời từ

trước đến nay. Người ta đoán chừng nó là một hành tinh đá, có bán kính gấp 1,8 lần và khối

lượng gấp 11 lần so với Trái đất.

Các kết quả tìm kiếm hiện nay của CoRoT báo trước tin tốt lành cho tàu Kepler, sứ

mệnh có thể phát hiện ra những hành tinh trong phạm vi chu kì quỹ đạo lớn hơn 10 lần so với

CoRoT. “Kepler có một cơ hội rất tốt nhìn thấy hành tinh cỡ Trái đất đó”, theo Malcolm

Fridlund, nhà khoa học dự án CoRoT của ESA.

Những giống như mọi phát hiện sự đi qua, các quan sát của Kepler sẽ cần phải được

xác nhận bởi phương pháp vận tốc hướng tâm với các kính thiên văn trên mặt đất, như Kính

thiên văn Keck ở Hawaii và Kính thiên văn William Herschel trên quần đảo Canary đo khối

lượng của một vật thể đang đi qua.

Giống hệt như có vật thể đi qua

Rất nhiều thứ có thể nhại lại sự đi qua. Một số ngôi sao giống như Mặt trời của chúng

ta, chẳng hạn, có thể có các vết đen làm thay đổi độ sáng khi chúng quay xung quanh bề mặt,

trong khi nhiều ngôi sao khác có những ngôi sao đồng hành mờ nhạt có thể xuất hiện giống

như một hành tinh khi chúng đi qua phía trước.


“Cái quan trọng với Kepler là nó sẽ cho chúng ta biết số lượng tương đối của các

hành tinh khối lượng nhỏ, trung bình và lớn”, theo Wesley Traub, nhà khoa học chính cho

Chương trình Thám hiểm Hành tinh ngoại của JPL.

Kepler ban đầu được lên kế hoạch phóng lên vào hôm 5/3. Tuy nhiên, các kĩ sư

NASA đã phải mất thêm một ngày kiểm tra phần cứng chung trên tên lửa Delta II, tên lửa sẽ

mang phi thuyền vào quỹ đạo, phần cứng đã sử dụng cho tên lửa Taurus XL đã lao xuống

biển hồi tháng trước trong khi mang Đài quan sát Carbon Quỹ đạo của NASA vào vũ trụ.

Kepler sẽ giúp tiếp thêm sức mạnh cho các sứ mệnh tiềm năng trong thập niên tới

như Người tìm Hành tinh Đất đá của NASA và sứ mệnh Darwin của ESA, cả hai đều có khả

năng nhìn thấy trực tiếp một hành tinh kiểu Trái đất quay xung quanh một ngôi sao ở gần.

“Chúng ta sẽ phải nhìn xa tận chừng nào ? 100 ngôi sao gần nhất, hay 1000 ngôi sao gần

nhất? Kepler sẽ giúp chúng ta quyết định bằng cách cung cấp tần suất của các Trái đất trong

thiên hà của chúng ta”, Fanson nói.


Các sứ mệnh của NASA luôn triển khai muộn và tốn kém

Ảnh minh họa vệ tinh Glory (Nguồn: NASA)

Đa số các sứ mệnh lớn của NASA đều có thời gian chậm trễ gần một năm và luôn

vượt quá ngân quỹ đầu tư, theo một bản báo cáo mới do cơ quan kiểm soát chi tiêu Mĩ đưa

ra.

Văn phòng Giải trình Chính phủ (GAO) nhận thấy trong số 13 sứ mệnh mà NASA

triển khai, có tổng cộng 10 dự án bị trì hoãn, tính trung bình, 11 tháng và bội chi 13% so với

ước tính ban đầu. Có hai dự án đi vào lịch định và tiêu tốn dưới mức ngân sách và một dự án

bị hoãn nhưng vẫn tiêu hao ngân quỹ.

Bội chi kinh khủng

Sứ mệnh bội chi nhiều nhất là vệ tinh Glory trị giá 347 triệu đô la của NASA, được

thiết kế để khảo sát hàm lượng aeerosol và carbon trong bầu khí quyển. Hình thành ý tưởng

ban đầu năm 2003, nó ngốn số tiền hơn 53% so với kế hoạch ban đầu và đã bị hoãn lần

phóng vào tháng 6 của nó do mất Đài quan sát Carbon Quỹ đạo (OCO) trị giá 273 triệu đô la,

thiết bị đã lao xuống Thái Bình Dương không bao lâu sau khi rời bệ phóng.

Một dự án cũng khó triển khai là Phòng thí nghiệm Khoa học Hỏa tinh, mới đây đã bị

hoãn lại hai năm và hiện tại ước tính tiêu tốn 2,3 tỉ đô la, tăng 700 triệu đô la so với ước tính

ban đầu của nó là 1,6 tỉ đô la.


Trong số 13 dự án, chỉ có hai dự án đi vào lịch định và dưới mức dự toán là Tàu khảo

sát Hồng ngoại Trường rộng (WISE) và phi thuyền Dawn. WISE được đưa lên bệ phóng vào

tháng 11 để tiến hành một cuộc khảo sát “toàn bầu trời” trong vùng bước sóng 3 đến 25 μm

và tiêu tốn ít hơn kế hoạch 1%, trong khi phi thuyền Dawn trị giá 465 triệu đô la được phóng

lên hồi năm 2007 – dưới ước tính ban đầu 2% - đến thăm hành tinh lùn Ceres và một tiểu

hành tinh lớn.

Một số sứ mệnh bị bỏ qua

NASA không cung cấp cho GAO dữ liệu về năm sứ mệnh, trong đó có Kính thiên

văn vũ trụ James Webb, kẻ kế tục của Kính thiên văn vũ trụ Hubble, được trông đợi phóng

lên vào năm 2013, cũng như cỗ xe hạ cánh Ares và tổ hợp thám hiểm Orion, được trông đợi

đưa các phi hành gia lên Mặt trăng.

GAO không đưa ra kiến nghị nào về việc phải làm để lật ngược xu hướng hiện nay.


Laser đo được kích cỡ hạt nhân quầng

Hình minh họa hạt nhân 11

Be, gồm một lõi 10

Be và neutron liên kết lỏng lẻo. Neutron đó quay tròn ở khoảng

cách trung bình 7fm tính từ khối tâm (Ảnh: Dirk Tiedemann, Viện Hóa học Hạt nhân, Đại học Mainz)

Các nhà vật lí ở châu Âu và Bắc Mĩ vừa đo được bán kính của một đồng vị beryllium

dị thường chứa một đơn neutron nằm cách xa phần còn lại của lõi hạt nhân. Mặc dù bán kính

của các đồng vị “quầng” khác như vậy đã được xác định trước đây, nhưng đây là lần đầu tiên

phép đo được thực hiện trên một hạt nhân với chỉ một neutron quầng đơn độc. Các nhà

nghiên cứu nhận thấy neutron quầng trong beryllium-11, tính trung bình, nằm cách lõi hạt

nhân khoảng 7 fm (7 x 10-15

m ), bản thân hạt nhân có bán kính khoảng 2,5 fm.

Lần đầu tiên phát hiện ra vào năm 1985, hạt nhân quầng có một lõi hạt nhân bình

thường cộng với một hoặc nhiều neutron quầng trải qua phần nhiều thời gian của chúng ở

khoảng cách tương đối xa hạt nhân. Hạt nhân quầng lithium-11, chẳng hạn, có đường kính cỡ

như hạt nhân uranium nặng hơn nhiều. Nguyên do các hạt nhân như thế quá lớn là vì năng

lượng liên kết các neutron quầng với lõi chỉ là 100 keV – xấp xỉ một phần mười năng lượng

trói buộc neutron trong các hạt nhân bình thường.

Nhưng việc đo kích thước của hạt nhân quầng tỏ ra khó khăn bởi vì hạt nhân đó sống

rất ngắn – và vì chúng không có điện tích, nên các neutron quầng không dễ gì tương tác với

các khảo sát thực nghiệm.

Vệt mờ điện tích dương

Các phép đo tốt nhất là nghiên cứu sự lệch “thể tích” nhỏ xíu – khoảng chừng một

phần tỉ - của các mức năng lượng của các electron liên kết với một hạt nhân quầng trong một


nguyên tử hoặc ion. Sự lệch này xảy ra vì neutron quầng và lõi hạt nhân quay tròn quanh

nhau và chuyển động tương đối của chúng làm cho lõi hạt nhân dường như một vệt mờ điện

tích dương so với các electron. Điều này có nghĩa là, ví dụ, các mức năng lượng electron của

một nguyên tử beryllium chứa hạt nhân quầng beryllium-11 hơi bị lệch so với các nguyên tử

chứa hạt nhân bình thường hơn như beryllium–7, beryllium–9 hoặc beryllium–10.

Sự lệch thể tích khi đó có thể sử dụng để tính ra bán kính của vết mờ điện tích dương,

cái khi đó có thể dùng để tính ra khoảng cách trung bình giữa quầng và lõi hạt nhân.

Trong khi các nhà vật lí đã làm chủ được việc đo sự lệch này ở các đồng vị quầng

helium và lithium, thì các tuy nhiên trên hạt nhân beryllium-11 phức tạp hơn vì beryllium có

tới bốn electron.

Hóa ra các mức năng lượng electron cũng bị ảnh hưởng bởi “sự lệch khối” gây ra,

một phần, bởi các tương tác giữa hạt nhân và chuyển động tương liên của các electron.

Những sự lệch khối này lớn hơn khoảng 1000 lần so với sự lệch thể tích và trở nên khó tính

hơn nhiều khi số lượng electron tăng thêm. Vấn đề đơn giản đi một chút bằng cách nghiên

cứu các ion Be+, chúng chỉ có ba electron.

Các phép đo và tính toán

Nghiên cứu mới được thực hiện tại tổ hợp ISOLDE ở CERN, bởi Wilfried

Nörtershäuser ở trường Đại học Mainz và các đồng sự ở Đức, Canada, và Thụy Sĩ (Phys.

Rev. Lett. 102 062503).

Thí nghiệm đó gồm việc tạo ra bốn đồng vị khác nhau của beryllium (với 7, 9, 10 và

11 neucleon) bằng cách bắn một chùm proton 1,4 GeV vào bia uranium-carbide. Cách này

tạo ra các nguyên tử beryllium, sau đó chúng bị ion hóa bởi một laser và được gia tốc đến 50

kV. Các chuyển tiếp trong các mức năng lượng electron được cảm ứng bằng cách bắn hai

chùm laser tử ngoại vào các ion. Một chùm bắn thẳng vào các ion đang đi vào; còn chùm kia

bắn theo hướng ngược lại từ phía sau các ion để khử sai số thực nghiệm về động năng của

các ion.

Một phần ánh sáng laser bị hấp thụ bởi các electron của beryllium, bơm chúng đến

một mức năng lượng cao hơn. Khi các electron rơi trở xuống, chúng phát xạ ánh sáng ở bước

sóng bằng với bước sóng laser qua quá trình “huỳnh quang cộng hưởng”. Tuy nhiên, bước

sóng của ánh sáng bị hấp thụ và sau đó phát xạ bởi đồng vị quầng beryllium khác rất ít với

ánh sáng phát xạ từ các đồng vị beryllium thông thường – sự khác biệt là do sự lệch đồng vị,

đó là tổng của sự lệch khối và lệch thể tích.

Đội nghiên cứu đã xác định sự lệch nhỏ xíu này bằng một dụng cụ gọi là cái lược tần

số, dụng cụ có khả năng tạo ra một phép đo rất chính xác bước sóng của laser. Bằng cách so

sánh bước sóng cộng hưởng của beryllium-11 với các đồng vị beryllium khác – và sau đó

hiệu chỉnh sự lệch khối – đội nghiên cứu đã tính ra được sự lệch thể tích. Điều này cho phép

họ kết luận rằng neutron quầng cách lõi hạt nhân khoảng 7 fm. Bản thân lõi hạt nhân có bán

kính khoảng 2,5 fm.





Cải tiến các mô hình toán học

“Như thế, neutron quầng nằm cách các nucleon khác xa hơn nhiều so với cái chấp

nhận được theo tầm hiệu lực của các lực hạt nhân mạnh trong mô hình cổ điển”,

Nörtershäuser giải thích. “Giờ thì kết quả này có thể được các nhà vật lí hạt nhân sử dụng để

cải tiện các mô hình toán học của họ về hạt nhân”, ông nói.

Jim Al-Khalili tại trường Đại học Surrey ở Anh, phát biểu với physicsworld.com:

“Những phép đo này cho chúng ta biết khá rõ ràng rằng lõi của hạt nhân quầng beryllium-11

(tức là beryllium-10) liên kết với nhau chặt chẽ hơn so với một hạt nhân nhẹ hơn nhiều như

beryllium-7”. Ông thêm, “Chúng ta học được rất nhiều về lõi hạt nhân bên trong quầng với

công trình nghiên cứu này, và một cách gián tiếp, chúng ta có thể kiểm tra các mô hình lí

thuyết của mình về cách thức các hạt quầng tương tác với lõi bên trong”.


Lớp tráng graphene kép là một chất trơn kém ma sát

Tráng một vật với chỉ một hoặc hai lớp nguyên tử carbon sẽ mang lại cho nó một bề

mặt cực kì trơn và dai, theo các nhà vật lí ở Đức và Bắc Mĩ.

Ngoài ra, ma sát trên một lớp đơn của các nguyên tử carbon – gọi là graphene – lớn

hơn trên một lớp đôi, theo các nhà nghiên cứu thì đó là do những khác biệt ở cách thức các

nguyên tử carbon đang dao động tương tác với các electron xung quanh.

Các kết quả cho thấy những lớp tráng như vậy có thể làm giảm sự mài mòn và giằng

kéo trong các cỗ máy nhỏ xíu.

Các kết quả mới được thực hiện bởi một đội đứng đầu là Roland Bennewitz, người

phân thân mình ra giữa trường Đại học McGill ở Montreal và Viện Các chất liệu mới Leibniz

ở Saarbruecken, Đức. Các nhà nghiên cứu tại McGill, Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence

Berkeley, Đại học Erlangen–Nuremberg, và Viện Max Planck ở Berlin cũng tham gia trong

công trình nghiên cứu này (Phys. Rev. Lett. 102 086102).

Các thềm graphene

Đội nghiên cứu bắt đầu bằng việc thận trọng nung nóng một đơn tinh thể silicon

carbide (SiC), làm cho các nguyên tử carbon di cư lên bề mặt của chất. Điều này dẫn tới các

“thềm” phẳng trên bề mặt – với mỗi thềm gồm đúng một, hai, hoặc không có lớp nguyên tử

carbon nào.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đặt silicon carbide vào một buồng chân không cực cao

trước khi nghiên cứu các tính chất bề mặt của nó bằng một kính hiển vi lực nguyên tử

(ATM). Đội nghiên cứu đã đo ma sát trên bề mặt đơn giản bằng cách kéo lê đầu nhọn kích cỡ

nano mét của ATM dọc trên bề mặt. Ma sát được đo trên lớp silicon carbide trần đồng thời

có mặt của lớp đơn và ba lớp graphene.

Đội của Bennewitz phát hiện thấy cả lớp đơn và ba lớp graphene đều trơn hơn so với

silicon carbide trần. Ví dụ, khi đầu nhọn ATM đẩy xuống trên bề mặt với lực pháp tuyến 100

nN, thì lực ma sát trên lớp đơn và ba lớp lần lượt được tìm thấy có giá trị khoảng 0,6 và 0,2

nN. Lực ma sát trên silicon carbide trần, trái lại, có độ lớn 8 nN.

Trơn bất ngờ

Bennewitz phát biểu với physicsworld.com rằng đội nghiên cứu thật “bất ngờ” nhận

thấy một lớp ba của graphene trơn hơn nhiều so với một lớp đơn trên một phạm vi rộng của

lực pháp tuyến. Họ tin rằng kết quả này liên quan đến cách thức các dao động lượng tử hóa

của các nguyên tử carbon (gọi là phonon) tương tác với đầu trượt của ATM.

Để xác nhận điều này, đội nghiên cứu đã sử dụng một kĩ thuật chuẩn gọi là quang phổ

quang phát xạ phân giải góc (ARPES), làm sáng tỏ sự ghép cặp electron-phonon trong đơn



lớp graphene mạnh hơn nhiều so với trong ba lớp. Bennewitz ví von tác dụng của sự ghép

cặp với sự kéo lê đầu nhọn trong cát – với sự ghép cặp càng mạnh, thì lớp cát càng dày.

Các nhà nghiên cứu còn nghiên cứu ma sát trong những lớp tráng nhiều lớp dày hơn,

và nhận thấy những lớp này hơn kém trơn hơn so với một lớp ba. Điều này có thể là do đầu

nhọn có khả năng đào sâu vào trong một đa lớp và trở nên bị mắc kẹt – cái không thấy với

các lớp ba.

Đồng thời cũng bền

Đội nghiên cứu kết thúc thí nghiệm của họ bởi việc thử làm hỏng các lớp tráng

graphene bằng một đàu nhọn AFM tráng kim cương. Họ đã không thành công, cho thấy các

lớp tráng graphene không những trơn mà còn bền nữa.

Các kết quả của đội có thể là tin tốt lành cho các nhà nghiên cứu đang nỗ lực chế tạo

các động cơ kích cỡ micro mét và nano mét, sử dụng silicon carbide thay cho silicon – chất

liệu truyền thống đối với các thiết bị như thế.

Trong số này có Roya Maboudian ở trường Đại học California Berkeley, người đã mô

tả khám phá trên là “thật hấp dẫn về mặt công nghệ” và cho rằng nó đã mang lại những cơ

hội tiềm năng cho việc cải tiện tính xác thực của các cỗ máy nano và micro.


Tiếp giáp phân tử tạo thành công tắc điện

Sơ đồ minh hoạ các cấu hình tiếp giáp phân tử „đứng‟ và „lệch góc‟ dùng bật mở cảm ứng cơ giới.

Điện trở qua một tiếp giáp như vậy có thể điều chỉnh „on‟ và „off‟ đơn giản bằng cách đẩy (hình trái)

sao cho cấu hình thẳng đứng hoặc bằng cách kéo tiếp giáp sao cho cấu hình xiên góc (Nguồn: LBNL).

Các nhà vật lí ở Mĩ và Hàn Quốc vừa chỉ ra được cách thức dòng điện chạy qua

những tiếp giáp phân tử nhất định có thể bật và tắt đi đơn giản bằng cách kéo căng hay nén

các phân tử đó. Khám phá đó có thể khai thác để chế tạo các công tắc dùng trong các dụng cụ

phân tử tương lai, và còn có thể giúp tìm hiểu điện trở ở thang bậc nano.

Trong các dụng cụ điện tử thông thường, điện trở là một tính chất người ta đã hiểu

cặn kẽ. Khi thiết đặt một điện trường qua một kim loại, các electron dẫn bắt đầu trôi giạt

nhưng va mạnh vào các ion và tạp chất, làm chậm lại chuyển động của chúng. Tuy nhiên, ở

những khoảng cách nano mét, mọi thứ không đơn giản như vậy: các electron có thể “chui

hầm” qua những hàng rào cách điện nhỏ mà không mất năng lượng, và do đó không bị cản

trở điện.

Sự chui hầm là một cân nhắc quan trọng trong việc thiết kế các dụng cụ cấp độ nano,

nhưng việc đo lường tác động của nó thật chẳng dễ dàng gì. Năm 2007, một đội đứng đầu là

Jeffrey Neaton thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley, đã làm chủ được việc

đo độ dẫn của các phân tử gốc amin nằm tiếp xúc với vàng. Họ đã gắn đầu nhọn bằng vàng

của một kính hiển vi quét chui hầm (STM) lên một bề mặt vàng chứa các phân tử amin và

sau đó rút nó lại, sao cho đầu nhọn kết nối với bề mặt chỉ bởi một chuỗi phân tử đơn, mỏng

mảnh. Khi chuỗi này vỡ, các phân tử khác sẽ nhảy vào lấp đầy khe trống, và từ đây các nhà

nghiên cứu có thể tính ra bước nhảy đột ngột ở độ dẫn điện.


Cầu phân tử

Nay, nhóm của Neaton vừa tiến thêm một bước nữa và khảo sát các trạng thái dẫn

khác nhau ở chuỗi phân tử nối một STM và một bề mặt vàng. Thay vì sử dụng các amin, họ

đã sử dụng bipyridine, một phân tử có hai vòng song sinh kiểu benzen chứa nitrogen. Họ

nhận thấy bipyridine có hai trạng thái điện trở: khi nó lệch góc với STM thì điện trở thấp và

tiếp giáp ở trạng thái “on”; khi nó liên kết thẳng đứng thì điện trở cao và tiếp giáp ở trạng

thái “off”. Thật vậy, các nhà nghiên cứu nhận thấy họ có thể bật lớp tiếp giáp giữa các trạng

thái điện trở on và off dễ dàng bằng cách đẩy hoặc kéo đầu nhọn STM (Nature

Nanotechnology doi:10.1038/nnano.2009.10).

Jeffrey Neaton đang trình diễn việc sử dụng phần mềm máy tính mô tả một cầu phân tử (Nguồn: LBNL).

Neaton và các đồng sự tin rằng các trạng thái điện trở khác nhau đó là do electron

chui hầm qua các orbital dẫn „pi‟ của phân tử bipyridine. Những định hướng khác nhau của

phân tử đó làm thay đổi lượng chồng chất giữa các hàm sóng lượng tử của các orbital pi và

các electron đến từ các điện cực vàng. Khi bipyridine nằm xiên góc thì sự chồng chất lớn

hơn, làm tăng cơ hội chui hầm và vì thế làm giảm điện trở.

Một lí thuyết tốt hơn

“Một hệ quả của nghiên cứu này là một phương pháp lí thuyết cải tiến “mang tính

nguyên tắc cơ bản‟, không phụ thuộc các thông số kinh nghiệm, cho sự dẫn điện ở những họ

nhất định của các tiếp giáp phân tử ở thang bậc nano”, Neaton phát biểu với

http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/abs/nnano.2009.10.html




physicsworld.com. “Làm việc với các thí nghiệm, chúng tôi sẽ tiếp tục phát triển và mở rộng

phạm vi của lí thuyết của chúng tôi cho các tiếp giáp và hiện tượng liên quan đến các phân tử

phức tạp hơn”.

Neaton giải thích rằng đội của ông đặc biệt thích thú với việc khảo sát các phân tử phi

đối xứng nhất định có khả năng tách li điện tích, sử dụng trong một số chất liệu quang điện

hữu cơ. “Các nghiên cứu mở rộng về những tiếp giáp phân tử như thế có thể làm sáng tỏ cách

thức chúng ta có thể tăng cường hiệu suất tách li điện tích và truyền tải – và từ đó khai thác

ánh sáng – trong các chất liệu nano hữu cơ và lai hữu cơ-vô cơ”, ông thêm.


Chế tạo được pin sạc điện nhanh trong vài giây

Lớp tráng bề mặt làm tăng tốc độ chuyển vận ion qua chiếc pin. Bản chất

vô định hình của lớp tráng loại mất tính dị hướng của sự chuyển vận trên bề mặt.

Các nhà khoa học vật liệu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) ở Mĩ vừa chế tạo

ra một loại pin có thể sạc trong vài giây thay vì vài giờ. Theo các nhà nghiên cứu, đột phá

này có thể đưa đến một thế hệ pin mới cho các công nghệ xanh như xe điện lai và tuabin gió.

Các pin lithium tốt nhất có mặt trên thị trường có thể tích rất nhiều điện tích vào một

thể tích nhỏ nhưng chúng có phần chậm chạp ở việc thu nhận và giải phóng năng lượng điện

đó. Trở ngại này có thể khiến một số người ngại mua xe điện. “Chúng có nhiều năng lượng,

cho nên bạn có thể lái xe 55 dặm mỗi giờ trong một thời gian dài, nhưng công suất thấp. Bạn

không thể tăng tốc nhanh được”, theo lời Gerbrand, một trong các nhà nghiên cứu tại MIT.

Nay Ceder và các đồng sự của ông vừa tân trang cho chiếc pin lithium chuẩn bởi việc

tăng tốc dòng điện tích. Họ thu được kết quả này bằng cách đặt một lớp tráng lithium

phosphate lên lớp vỏ ngoài của chất liệu. Ý tưởng „đơn giản‟ này có sau công trình lí thuyết

mới đây của họ, trong đó trình bày rằng các ion lithium truyền dọc trên bề mặt cũng quan

trọng như dòng electron bên trong pin.

“Khả năng tích điện và phóng điện các pin trong vài ba giây thay vì hàng giờ có thể

mở ra những ứng dụng công nghệ mới và mang lại những thay đổi lối sống”, Ceder nói.

Các ion nhanh

Bên trong chiếc pin, dòng điện chạy thông qua các electron và các ion lithium tương

ứng chuyển động về phía anode và cathode. Những nỗ lực trước đây nhằm cải thiện công


suất của pin tập trung vào việc tăng độ linh động của các electron. Các nhà vật lí đã giả sử

rằng các ion lithium phải di chuyển chậm do kích cỡ tương đối lớn của chúng.

Sau đó, cách nay khoảng năm năm, Ceder và các đồng sự của ông đã lập mô phỏng

một chiếc pin lithium sắt phosphate và đi đến khám phá bất ngờ rằng các ion lithium thật ra

phải di chuyển ở một tốc độ tương tự như các electron. Sự khác biệt là ở chỗ các ion chỉ có

thể di chuyển qua “các đường hầm” đi vào từ bề mặt. Tuy nhiên, quá trình này rất không hiệu

quả vì nhiều ion gặp trở ngại ở việc đi vào những đường hầm này.

Sau khi công bố lí thuyết mới này, các nhà khoa học bắt tay vào tối đa hóa sự đi vào

của ion đối với các đường hầm này. Họ đã thiết kế một hệ cho phép các ion lithium di

chuyển nhanh xung quanh phần bên ngoài của chất liệu – tương tự như xe cộ tránh kẹt xe

bằng cách chạy vào đường tránh của một thành phố.

Sau đó, các nhà nghiên cứu đã chế tạo ra một chiếc pin nhỏ có thể tích đầy điện hoặc

phóng điện trong vòng 20 giây; nếu không có lớp tráng bên ngoài thì mất 6 phút. Báo cáo kết

quả của họ trên tờ Nature, họ nói rằng không có gì ngăn cản chiếc pin này tăng kích cỡ đến

bằng một chiếc pin xe lai có thể tích điện trong 5 phút. Nhân tố hạn chế duy nhất sẽ là công

suất hiện có – 180 kW là cần thiết cho một chiếc pin 15 kWh.

“Chúng tôi sẽ cố gắng chứng minh nguyên lí tương tự cho một phạm vi các chất liệu

pin lithium. Có lẽ sẽ có một số chất có mật độ năng lượng còn cao hơn nữa”, Ceder nói.


Phóng thành công tàu con thoi Discovery

Tàu con thoi vũ trụ Discovery của Mĩ đã được phóng thành công vào hôm qua, chủ

nhật 15/3, từ mũi Canaveral ở Florida, với sứ mệnh nâng cấp Trạm không gian quốc tế ISS

trong 14 ngày.

Tàu con thoi vũ trụ Discovery rời bệ phóng 39A tại Trung tâm vũ trụ Kennedy ở mũi Canaveral, Florida, hôm

15/3/2009. Sứ mệnh STS-119 sẽ mang một phi hành đoàn 7 người lên Trạm không gian quốc tế

(Ảnh: Xinhua/AFP)

Đây là chuyến bay tàu con thoi vũ trụ đầu tiên của NASA năm 2009.

Tàu con thoi rời bệ phóng lúc 23:43 GMT, lao vút vào bầu trời đêm sáng sủa. Hàng

nghìn người đã tới Trung tâm vũ trụ Kennedy để được mục kích việc phóng tàu.

NASA TV cho biết năm động cơ đẩy tàu Discovery và bình nhiên liệu gắn ngoài của

nó tiến lên quỹ đạo đã ngừng hoạt động như kế hoạch khoảng tám phút rưỡi sau khi bay.

Không bao lâu sau đó, tàu con thoi đã đi vào quỹ đạo của nó với tốc độ 17 500 dặm/giờ (28

000 km/h).

“Mọi thứ trên con tàu đều hoàn hảo”, theo lời Mike Moses, trưởng đội điều hành sứ

mệnh, tại một buổi họp báo trực tiếp sau khi phóng tàu.

“Thật là ngoạn mục. Khi tàu vũ trụ và bể nhiên liệu, tên lửa đẩy đi vào ánh sáng mặt

trời… nó trông thật tráng lệ”.

Tàu con thoi vũ trụ này được trông đợi tiếp cận ISS vào hôm 17/3. Phi hành đoàn 7

người của nó, do Lee Archambault chỉ huy và trong đó có cả Koichi Wakata, thành viên phi


hành đoàn cư trú trên vũ trụ đầu tiên của Cơ quan Thám hiểm Không gian Nhật Bản. Ông sẽ

thay thế nhà du hành vũ trụ NASA Sandra Magnus với tư cách là thành viên của phi hành

đoàn Viễn đội 18 của ISS.

Mike Leinbach, chỉ huy trưởng việc phóng tàu của sứ mệnh, còn cho rằng đợt phóng tàu lần này “thật lộng lẫy”.

“Tôi đã từng chứng kiến rất nhiều lần phóng tàu… và đây là lần phóng tàu trông đẹp mắt nhất”, ông phát biểu

với các phóng viên tại buổi họp báo.

Sứ mệnh của Discovery là tiến hành ba cuộc đi bộ ngoài không gian nhằm giúp lắp

đặt phần giàn khung S6 vào mạnh phải của trạm không gian và triển khai các tấm pin mặt

trời của nó. Dải pin đó sẽ cấp điện cho các thí nghiệm khoa học và phi hành đoàn 6 người mở

rộng của trạm vào tháng 5 tới.

Giàn khung S6 là một cấu trúc xà dầm công nghệ cao gồm 11 phần. Nó mang lại

xương sống cho trạm, chống đỡ các tấm mặt trời của Mĩ, các vật bức xạ và những thiết bị

khác. Để lắp đặt phần giàn khung S6, cánh tay rô-bôt của trạm phải mở rộng tàm với của nó

đến mức xa nhất mà nó có thể (khoảng 17,4 mét). Phần giàn khung S6 nặng hơn 14,061 kg

một chút. Sau khi lắp đặt S6, giàn khung đó sẽ dài 102 mét.

Mỗi cánh pin mặt trời có hai dải dài 35 mét, cho tổng cộng cánh xòe ra 73 mét, gồm

cả thiết bị nối hai cánh và cho phép chúng xoắn lại khu chúng hướng theo mặt trời. Cùng với

nhau, các cánh pin mặt trời của trạm có thể phát ra 120 kW điện năng có ích – công suất đủ

để cung cấp cho ngôi nhà 260 mét vuông. Việc lắp đặt thêm S6 sẽ tăng gần gấp đôi công suất

điện cho trạm hoạt động khoa học – từ 15 kW lên 30 kW.


Các nhà du hành tàu con thoi vũ trụ Discovery (từ trái sang): Koichi Wakata người Nhật, John Phillips, Richard

Arnold, Steve Swanson, Joseph Acaba, Pilot Tony Antonelli và chỉ huy sứ mệnh Lee Archambault, chuẩn bị lên

bệ phóng 39A tại Trung tâm vũ trụ Kennedy ở mũi Canaveral, Florida, hôm 15/3/2009 (Ảnh: Xinhua)

Chuyến bay của Discovery là mang lên ISS bộ cánh pin mặt trời thứ tư và cuối cùng,

hoàn thành lắp đặt giàn khung của trạm. (Ảnh: Xinhua/AFP)

Chuyến bay cũng sẽ thay thế một đơn vị bị hỏng cho một hệ thống biến đổi nước tiểu

thành nước sử dụng.


Bộ phận loại tạp chất khỏi nước tiểu trong giai đoạn đầu của quá trình tái chế của Hệ

thống xử lí nước tiểu của ISS đã không hoạt động. Toàn bộ Hệ thống phục hồi nước mang

lên và lắp đặt trong chuyến bay STS-129 của tàu con thoi vũ trụ Endeavour vào tháng

11/2008. Các nhà du hành đã có thể khắc phục nó đưa vào sử dụng khi tiến hành duy trì bay,

nhưng một đơn vị chưng cất đã hỏng sau chuyến bay của tàu Endeavour.

Discovery đã đưa vào chuẩn bị phóng hồi thứ tư tuần rồi, trước khi các phi hành đoàn

mặt đất tại Trung tâm vũ trụ Kennedy ở mũi Canaveral thông báo có một lỗ rò hydrogen

trong đường thông hydrogen lỏng giữa tàu con thoi và bể nhiên liệu gắn ngoài. Lỗ rò đó buộc

NASA phải lập tức bắt tay vào tháo nhiên liệu khỏi bể chứa và hủy việc phóng tàu hôm thứ

tư.

Tàu con thoi ban đầu được lên lịch phóng vào hôm 12/2, nhưng các quan ngại về các

van điều khiển nhiên liệu đáng ngờ trong các động cơ chính của phi thuyền đã đưa đến một

số trì hoãn cho các kĩ sư có thể thay thế chúng.

Giống như đường dẫn khí hydrogen bị rõ đã cản trở việc phóng hôm thứ tư của

Discovery, ba van điều khiển nhiên liệu của tàu con thoi còn được thiết kế để duy trì áp suất

thích hợp bên trong bồn nhiên liệu hydrogen lỏng của bể nhiên liệu gắn ngoài của tàu vũ trụ.

Một van tương tự trên tàu con thoi Endeavour đã bị rạn nứt trong đợt phóng tháng 11/2008

và NASA muốn đảm bảo rằng một vấn đề tương tự sẽ không mang lại rủi ro và Discovery và

phi hành đoàn của nó.

Do một số chậm trễ, nên sứ mệnh ban đầu dự kiến kéo dài 14 ngày, với bốn chuyến đi

bộ ngoài không gian, đã bị rút ngắn lại một ngày với một chuyến đi bộ ngoài không gian bị

loại bỏ, để chuẩn bị cho tàu vũ trụ Soyuz của Nga sắp đưa vào bệ phóng hôm 26/3. Soyuz sẽ

mang lại một phi hành đoàn mới cho trạm không gian quốc tế.

Chuyến đi bộ đầu tiên của sứ mệnh dự kiến thực hiện vào hôm thứ năm để lắp đặt các

cánh pin mặt trời mới. Các công việc của chuyến đi bộ bị hủy sẽ được phi hành đoàn trạm

không gian xử lí sau khi Discovery rời khỏi đó.

Việc trì hoãn của Discovery cũng gây trở ngại cho các kế hoạch phóng một vệ tinh

viễn thông quân sự mới của Mĩ từ Căn cứ Không quân ở mũi Canaveral, nằm gần bệ phóng

bên bờ biển của Discovery tại Trung tâm vũ trụ Kennedy. Vệ tinh Wideband Global

SATCOM-2 dự kiến phóng vào hôm thứ bảy rồi bằng tên lửa Atlas 5, nhưng bị hoãn lại cho

đến tuần sau.


Vệt khói để lại của tàu Discovery (Ảnh: Xinhua)

Tàu con thoi vũ trụ Discovery trên bệ phóng 39A tại Trung tâm vũ trụ Kennedy,

hôm 15/3/2009 (Ảnh: Xinhua/Reuters)


Nhà du hành vũ trụ Koichi Wakata (bên trái) người Nhật, và John Phillips vẫy tay chào khi họ sắp khởi hành

với các thành viên khác của phi hành đoàn tại bệ phóng 39A ở Trung tâm vũ trụ Kennedy, Florida, hôm

15/3/2009 (Ảnh: Xinhua/Reuters)

Một thợ nhiếp ảnh chụp ảnh việc phóng tàu con thoi vũ trụ Discovery tại

Trung tâm vũ trụ Kennedy, Florida, hôm 15/3/2009 (Ảnh: Xinhua/Reuters)


Phóng thành công vệ tinh khảo sát trường hấp dẫn GOCE

GOCE sẽ hoạt động trong 20 tháng và lập bản đồ Geoid

Một sứ mệnh nhằm lập một bản đồ phân giải rất cao của trường hấp dẫn của Trái đất

vừa được phóng lên quỹ đạo vào hôm qua (17/3), lúc 15:21 giờ địa phương, từ Sân bay vũ trụ

Plesetsk ở miền bắc nước Nga. Tàu thám hiểm GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean

Circulation Explorer) trị giá 350 triệu đô la sẽ tạo ra một mô hình cải thiện nhiều của “geoid”

– mặt ranh giới hấp dẫn mà Carl Friedrich Gauss đã mô tả là “dạng toán học của Trái đất”.

GOCE, do Cơ quan Không gian châu Âu phóng lên, sẽ bay ở độ cao chỉ 250 km và hoạt động

trong 20 tháng.

Gia tốc hấp dẫn tại bề mặt Trái đất, g, không có một giá trị không đổi mà thay đổi tùy

theo vị trí trên hành tinh. Sự thay đổi đáng kể nhất là do chuyển động quay tròn của Trái đất,

làm cho nó hơi phình to một chút tại xích đạo, nghĩa là mặt đất tại đây sẽ cách tâm Trái đất

xa hơn – khoảng 20 km – so với tại các cực. Do nguyên nhân này – và cũng do sự phân bố

không đều khối lượng bên trong Trái đất – nên g bằng 9,83 ms-2

tại các cực, nhưng chỉ bằng

9,78 ms-2

tại xích đạo. Còn có những nguyên nhân khác, thứ yếu hơn, gây ra những thay đổi

nhỏ của g – chẳng hạn, núi non và các vực đại dương dẫn tới các thăng giáng ở chữ số thập

phân thứ ba của g.

Đi cùng với những thăng giáng này của g là một mô tả của bề mặt Trái đất gọi là

geoid. Geoid được định nghĩa là mặt đẳng thế hấp dẫn và bám theo về mặt đại dương khi

không có thủy triều và là hình dạng ellipsoid cơ bản của Trái đất nhưng có những chỗ hơi lồi

lõm rất trơn phía trên của nó, theo các biến đổi cục bộ trong trường hấp dẫn. Ví dụ, khối

lượng thêm trong một ngọn núi cao 2km dưới biển hút nước ở phía trên nó, tạo ra một chỗ

phình trên mặt biển cao chừng 2m và bề ngang chừng 40km.


Lập bản đồ các biến đổi trong bản thân trường g có thể cho phép các nhà vật lí cải

thiện hiểu biết của họ về các quá trình địa vật lí, chẳng hạn như động đất. Lập bản đồ geoid,

mặt khác, mang lại một tham chiếu cơ sở - hay mực nước biển 0m – trên khắp thế giới và

đưa đến sự hiểu biết tốt hơn về sự lưu thông đại dương, và vì thế cả khí hậu nữa. Đấy là vì

các giá trị cục bộ của geoid có thể loại trừ khỏi những phép đo radar của mực nước biển để

cho biết chiều cao của các con sóng trên khắp thế giới, và hành trạng bề mặt này khi đó có

thể kết hợp với dữ liệu về tô pô học của thềm đại dương để tính toán các dòng chảy và dòng

nhiệt trên các đại dương.

Để đo các thăng giáng hấp dẫn trên quy mô khoảng cách lớn, nhưng ở độ phân giải

thấp, GOCE sẽ liên tục ghi lại những thay đổi quỹ đạo của nó diễn ra như thế nào – và do đó

ghi lại được lực hút nó về phía Trái đất thay đổi như thế nào – so với các vệ tịnh GPS. Để lấp

đầy một cách chi tiết các thăng giáng trên những quy mô nhỏ hơn, GOCE sẽ ghi nhận những

khác biệt nhỏ trong gia tốc chịu bởi ba cặp quả nặng kiểm tra giữ ở đầu của các cánh tay dài

50cm đặt bên trong phi thuyền. Theo kiểu này, sứ mệnh sẽ đo g đến độ chính xác 10-5

ms-2

và

đo geoid với độ vật chất 1-2cm, cả hai bộ số liệu đều được lập bản đồ với độ phân giải tốt

hơn 100km.

Độ phân giải của GOCE sẽ tốt hơn nhiều so với các vệ tinh đo trường hấp dẫn trước

đây, nh sứ mệnh GRACE của Mĩ và Đức, phóng lên quỹ đạo năm 2002, hạn chế với độ phân

giải 600 km. Nhà điều hành sứ mệnh GOCE, Rune Floberghagen, phát biểu rằng mặc dù

GRACE có thể ghi lại những thay đổi trong trường hấp dẫn của Trái đất theo thời gian, cho

phép nó quan sát thấy sự tan chảy của các tảng băng địa cực chẳng hạn, nhưng độ phân giải

thấp hơn của nó có nghĩa là nó không thể nghiên cứu sự lưu thông đại dương thật chi tiết,

như GOCE có thể làm. “Sứ mệnh GRACE đem lại những đoạn phim phân giải thấp của các

biến đổi trường hấp dẫn”, Floberghagen nói, “còn GOCE sẽ mang lại một ảnh chụp nhanh

phân giải cực cao”.


Kính hiển vi TEAM phân giải được khoảng cách chưa đầy nửa angstrom

Mệnh danh là kính hiển vi điện tử truyền mạnh nhất thế giới, TEAM 0,5 tại Phòng thí nghiệm

quốc gia Lawrence Berkeley ở Mĩ vừa xử lí một đối tượng vật chất phân giải nhất thế giới cho tới

chưa đầy nửa angstrom với độ tương phản cao. Chiếc kính hiển vi nổi tiếng điều khiển bởi các nhà

nghiên cứu tại phòng thí nghiệm do Chính phủ Mĩ tài trợ đã phân giải một khoảng cách 47 picomet

trong một tinh thể Germanium.

Đứng đầu là Rolf Erni, các nhà khoa học nói chiếc kính hiển vi của họ trên lí thuyết có thể cải

thiện độ phân giải lên thêm hai lần. Các nhà nghiên cứu nói phương pháp xạ phân giải nguyên tử -

một kĩ thuật có ích cho việc tìm các khiếm khuyết trong các dụng cụ kích cỡ nano – sẽ là một trong

những ứng dụng hưởng lợi từ tiến bộ này.

Kính hiển vi điện tử truyền (TEM) hoạt động bằng cách bắn một chùm electron xuyên qua

một mẫu vật lên một thiết bị ghi ảnh đặt phía sau. Tương tác giữa các electron và mẫu vật được

khuếch đại lên sau đó tập trung lại trước khi được một bộ cảm biến phát hiện ra. Độ rộng của chùm

electron là giới hạn tối hậu cho độ phân giải không gian.

Kính hiển vi TEAM của Berkeley có một thuận lợi so với các TEM “cổ điển” vì nó đã hiệu

chỉnh sự nhòe ảnh dạng cầu gây ra bởi các “quang sai” ở thấu kính. Hồi năm 2007, kính hiển vi này

đã thu hút những dòng tít lớn trên báo chí khi nó được sử dụng để phân giải khoảng cách trong một

tinh thể Germanium chưa tới 0,5 angstrom (http://physicsworld.com/cws/article/news/31142). Kể từ

đó, những nỗ lực nhằm cải thiện hơn nữa độ phân giải không gian đã tập trung vào việc giảm hơn nữa

sự nhiễu xạ gây ra bởi các quang sai thấu kính.

Khảo sát sâu hơn

Chọn một cách tiếp cận khác, Rolf Erni và các đồng sự của ông chuyển sự chú ý của họ sang

chính bộ phận khảo sát electron. Họ nhận thấy nguồn electron và cỡ nguồn hình học là những thông

số quan trọng chi phối kích cỡ của chùm electron. Phân tích một phạm vi nguồn electron khác nhau

đã đưa một cơ cấu quang học tốt nhất (Phys. Rev. Lett. 102.096101).

“Dễ dàng bố trí, TEAM 0,5 là kính hiển vi điện tử truyền tốt nhất thế giới, tiêu biểu cho một

bước nhảy lượng tử hướng tới tương lai thiết bị đo đạc”, theo Alexx Zetti, một nhà vật lí tại Berkeley,

người không có liên quan gì trong nghiên cứu mới nhất này.

“Độ phân giải vẫn còn là một hạn chế trong khả năng của chúng ta chụp ảnh cấu trúc của các

chất kết tinh và đây là một bước tiến quan trọng”, theo Andrew Bleloch, một nhà nghiên cứu kính

hiển vi điện tử tại Đại học Liverpool.

Ông thêm, “Một minh họa vui thôi, nếu sóng electron được tăng kích cỡ lên bước sóng ánh

sáng thì nó sẽ tương đương với một kính hiển vi phân giải được một sợi tóc người ở Manchester nhìn

từ London (cách gần 250 km)”.

http://physicsworld.com/cws/article/news/31142



Tevatron phát hiện ra quark top

Một mảnh còn thiếu quan trọng của mô hình chuẩn của ngành vật lí hạt vừa được

phát hiện bởi các nhà nghiên cứu tại Fermilab ở Mĩ, ngôi nhà của cỗ máy va chạm hạt đang

hoạt động mạnh nhất thế giới, Tevatron. Vào hôm thứ tư, các thí nghiệm CDF và D0 độc lập

nhau đã báo cáo bằng chứng rõ ràng rằng quark top, hạt nặng nhất trong số sáu quark mùi đã

biết, có thể đã được tạo ra riêng lẻ thay vì từng cặp như đã quan sát thấy tính cho đến nay

(arXiv 0903.0885v1 và arXiv 0903.0850v1, lần lượt đăng kí công bố trên Phys. Rev. D và

Phys. Rev. Lett.).

Vì các quark top tạo ra riêng lẻ phân hủy thành các trạng thái cuối cùng nhạy lại tín

hiệu người ta trông đợi cho boson Higgs mô hình chuẩn – mảnh còn thiếu lớn nhất của lí

thuyết khoa học đã 35 năm tuổi – nên các kết quả đó báo trước tin tốt lành cho cuộc tìm kiếm

Higgs hiện đang triển khai tại Tevatron trong khi Máy Va chạm Hạt nặng Lớn (LHC) mạnh

hơn của CERN đang sửa chữa. “Chúng ta không thể khẳng định bằng chứng cho sự sản sinh

hạt Higgs nếu chúng ta trước hết không quan sát được sự sản sinh quark top độc thân”, người

phát ngôn D0, Darien Wood nói.

Không có thế hệ thứ tư

Quark top đã được CDF và D0 phát hiện hồi năm 1995, hoàn thành cấu trúc “thế hệ

thứ ba” của mô hình chuẩn, trong đó các quark up và down cấu thành nên vật chất hạt nhân

bình thường (với điện tích tương ứng là +2/3 và -1/3) có các bản sao nặng hơn: duyên

(charm) và lạ (strange); đỉnh (top) và đáy (bottom). Sự tôn ti bí ẩn đó cũng tồn tại đối với các

lepton, dòng nhẹ nhất gồm electron và neutrino electron.

Trong khám phá ra quark top và các phép đo sau đó những tính chất của nó, hạt (nặng

hơn proton 180 lần) được tạo ra từng cặp cùng với đối tác phản vật chất của nó – một quá

trình chỉ liên quan đến lực hạt nhân mạnh. Nhưng mô hình chuẩn tiên đoán rằng các hạt top

cũng được tạo ra riêng lẻ thông qua lực điện yếu, ví dụ khi một va chạm proton-phản proton

tạo ra một boson W ở trạng thái kích thích phân hủy thành một quark top và một quark

bottom.

Trong khi quá trình đó thật hiếm so với các quark top tạo ra thành cặp và bị nhận

chìm trong các sự kiện nền trông tương tự, thì tốc độ mà các quark top độc thân được tạo ra

mang lại một phép đo trực tiếp của V_tb – một trong các yếu tố trong ma trận “hỗn hợp” 3x3

Cabibbo–Kobayashi–Maskawa mô tả cách thức các quark biến đổi thành những mùi khác

nhau thông qua lực yếu. Nay đã đo được tiết diện sản sinh quark top độc thân và chỉ ra rằng

V_tb gần 1 hơn là gần 0, các kết quả Fermilab bác bỏ mạnh mẽ sự tồn tại của một dòng thứ

tư của các quark.

Cạnh tranh lành mạnh

Paul de Jong, người làm việc tại thí nghiệm ATLAS của LHC, mô tả các kết quả

Fermilab là một thành tựu, đòi hỏi các kĩ thuật phân tích phức tạp có tiềm năng dẫn đến một




quan sát sớm hơn của hạt Higgs. “Tại LHC, chúng ta sẽ thu thập một mẫu lớn hơn đáng kể

của các quark top độc thân”, ông thêm, “nhưng chúng ta chỉ có thể chúc mừng cho D0 và

CDF vì mẩu nghiên cứu đẹp đẽ này”.

Mặc dù CDF và D0 lần đầu tiên đã báo cáo bằng chứng cho sự sản sinh quark top độc

thân vào năm 2007, nhưng trong 18 tháng qua, các thí nghiệm đó đã tăng gấp đôi số lượng va

chạm proton-phản proton ghi nhận được. Dữ liệu mới thêm cho phép mỗi chương trình hợp

tác này thu được, dựa trên các kĩ thuật phân tích hơi khác và với CDF sử dụng nhiều hơn D0

40% sự kiện, một giá trị thống kê trên năm độ lệch chuẩn.

Các bản thảo CDF và D0 được đăng lên chỉ cách nhau vài giờ, nhưng cả hai đều

khẳng định quan sát thấy lần đầu tiên của sự sản sinh quark top độc thân. “Có một cuộc chạy

đua tích cực đã cải thiện cả hai thí nghiệm”, theo lời thành viên CDF, Mark Lancaster thuộc

trường Cao đẳng Hoàng gia London. “Chúng tôi vui vẻ kết hợp các kết quả của mình cho các

cuộc tìm kiếm hạt Higgs”.

Các giới hạn Higgs mới dựa trên dữ liệu Tevatron mới nhất được trông đợi công bố

trong những tháng tới, có khả năng loại trừ một vùng lớn hơn nữa của ngưỡng khối lượng hạt

Higgs so với 170 GeV mà Fermilab đã loại trừ hồi năm ngoái.


Nhìn thấy hóa chất ở thang nano

Toàn bộ các thí nghiệm thực hiện trên đường tia BL-13 tại Xưởng Photon (PF), KEK.

Các nhà vật lí ở Nhật Bản vừa phát triển một kĩ thuật mới dùng trong xác định dạng

thức của các nhóm nguyên tử riêng lẻ. Kĩ thuật này là một cải tiến trên các phương pháp mô

tả hiện có trong hiển vi học, chúng chỉ có thể dò ra vị trí của các nguyên tử và không dò ra

loại hóa chất đặc biệt của chúng. Nó đã được các nhà nghiên cứu sử dụng để phát hiện ra

thành phần của một chất đến độ phân giải 10 nm.

Mang tên là Kính hiển vi quét chui hầm bức xạ synchrotron (SRSTM), kĩ thuật mới

được phát triển bởi Taichi Okuda và các đồng sự tại Học viện và Đại học Hyogo, ở Nhật

Bản. Kĩ thuật bao gồm việc đặt một mẫu chất muốn khảo sát trong một chùm tia X mạnh của

một nguôn synchrotron.

Các photon phát ra từ chùm tia X kích thích các electron nòng cốt trong các nguyên

tử của mẫu, sau đó nhả ra các electron “thứ cấp” khi chúng phân hủy trở lại các trạng thái cơ

bản của chúng. Các electron thứ cấp này sau đó được phát hiện bởi đầu dò của kính hiển vi

quét chui hầm (STM) khi chúng chui hầm qua khe trống. Cỡ của dòng điện phụ thuộc vào

loại nguyên tử đặc biệt đã tạo ra các electron thứ cấp, nghĩa là mỗi nguyên tố có một “dấu

vân tay” độc nhất vô nhị (Phys. Rev. Lett. 102.105503).

Đội nghiên cứu người Nhật đã kiểm tra kĩ thuật của họ trên một mẫu thử caro gồm

nickel và sắt trên một màng mỏng bằng vàng. Mỗi ô nickel và sắt rộng 1 micron và dày 10


nano mét. Sử dụng đường tia BL-13 tại Xưởng Photon KEK ở Nhật, họ nhận thấy họ có thể

phân biệt các nguyên tố cá lẻ với độ phân giải không gian chỉ 10 nm.

“Chúng tôi hiện đang cố gắng cải thiện hơn nữa độ phân giải không gian và tỉ số tín

hiệu trên nhiễu trong kĩ thuật mình”, Okuda phát biểu với physicsworld.com. “Chúng tôi

cũng sẽ áp dụng phương pháp cho các chất từ tính và quan sát các cấu trúc domain từ”, ông

thêm.


Trung Quốc xây dựng nhà máy nhiệt điện mặt trời thử nghiệm

Ảnh minh họa tổ hợp Đại Hán 1,5MW sẽ được xây dựng gần Bắc Kinh.

Việc xây dựng một nhà máy nhiệt điện mặt trời thử nghiệm sắp được khởi công vào

cuối tháng này dưới chân nắng của Vạn lí trường thành của Trung Quốc sẽ mang năng lượng

sạch đến cho 30.000 hộ gia đình vào năm 2010. Xây dựng ở vùng ngoại ô Bắc Kinh với trị

giá 10 triệu bảng Anh, nhà máy Đại Hán 1,5MW sẽ cấp điện cho một khu vực cỡ chừng 10

sân bóng, và sẽ giữ vai trò là một nền tảng cho các thí nghiệm về các công nghệ điện mặt trời

khác.

Không giống như các tấm pin mặt trời quang điện, thiết bị tạo ra điện trực tiếp từ ánh

sáng mặt trời, nhà máy nhiệt điện mặt trời hoạt động trên cơ sở một dải gương hội tụ các tia

sáng Mặt trời vào một thiết bị nhận. Một vài nhà máy nhiệt điện mặt trời đã đi vào hoạt động

ở nhiều địa phương trên thế giới – đáng chú ý là ở Sa mạc Mojava ở California và ở Granada

ở Tây Ban Nha – nhưng tổ hợp Đại Hán sẽ là nhà máy đầu tiên thuộc loại này ở châu Á.

“Lượng điện thật sự phát ra thì nhỏ, nhưng nó là một bước tiến lớn đối với Trung

Quốc bước vào thế hệ nhà máy nhiệt điện mặt trời sử dụng các thiết kế riêng của mình”, theo

lời Christoph Richter, trưởng điều hành Trung tâm Không gian Đức ở Plataforma Solar de

Alméria, một trung tâm nghiên cứu điện mặt trời ở Tabernas, Tây Ban Nha.


100 gương ‘định nhật’

Mẫu thiết kế Trung Hoa xây dựng trên 100 cái gương cong “định nhật” hướng theo

chuyển động của Mặt trời trên bầu trời và gửi ánh sáng lên một thiết bị nhận gắn trên đỉnh

một tòa tháp trung tâm cao 100m. Nước chảy qua thiết bị nhận bị biến đổi thành hơi nước

quá nhiệt, sau đó có thể lái các tuabin phát điện như trong một nhà máy điện thông thường.

Năng lượng thặng dư được dự trữ dưới dạng nhiệt, với một bồn dầu tổng hợp giữ vai trò một

hồ chứa tự nhiên cho nhiệt độ cao (350oC) cần thiết để tạo ra hơi nước quá nhiệt, và một hệ

thống thứ hai “xuôi dòng” dự trữ nhiệt ở nhiệt độ thấp hơn.

Quá trình dự trữ nhiệt hai giai đoạn như vậy làm tăng hiệu suất của nhà máy, theo lưu

ý của Zhihao Yao, một nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Năng lượng Nhiệt Mặt trời ở

Bắc Kinh và là thành viên của đội thiết kế Đại Hán. Dầu sử dụng trong hệ thống dự trữ Đại

Hán cũng rẻ hơn so với muối nấu chảy dùng để trữ nhiệt tại nhà máy của người Tây Ban

Nha, một phần do điểm nóng chảy cao của các muối có nghĩa là các hệ thống như thế phải

được tháo hết ra khi nhà máy không hoạt động.

Dấu hiệu lạc quan

Việc giữ giá thành thấp là quan trọng. “Ở Trung Quốc, chi phí sử dụng than đá riêng

của họ là vô địch, trừ khi bạn nói nó gây phá hoại môi trường”, Richter nói. Một trở ngại

khác nữa đó là cần một diện tích đất rộng lớn. David Faiman, giám đốc Trung tâm Năng

lượng Mặt trời Quốc gia Ben-Gurion của Israel, lưu ý rằng nhu cầu năng lượng của Trung

Quốc tăng lên vào khoảng 430 terawatt-giờ vào năm 2007, và việc tiếp tục giữ sự bùng phát

này sẽ đòi hỏi phải dành tới 3000km2 của sa mạc Gobi mỗi năm để cấp điện nhiệt mặt trời.

Tuy nhiên, thực tế Trung Quốc đang đầu tư cho điện mặt trời ở bất kì quy mô nào là một

“dấu hiệu lạc quan”, ông thêm.

Bước tiếp theo cho người Trung Quốc sẽ là mở rộng nhà máy Đại Hán lên 5-10MW.

Việc này sẽ thực hiện vào năm 2015, đại diện nhóm lãnh đạo dự án Li Xin phát biểu với

physicsworld.com. Một nhà máy 1000MW khác đang được lên kế hoạch cho một tỉnh trong

vùng Nội Mông của Trung Quốc, với sự ủng hộ từ phía Solar Millennium, công ti Đức đã

xây dựng nhà máy ở Granada, nhưng tổ hợp quy mô thương mại vẫn còn vài năm nữa mới

triển khai.


Tia vũ trụ có gây phá hủy tầng ozone ?

Dữ liệu mới thu thập từ vệ tinh và các trạm mặt đất ủng hộ cho một lí thuyết gây

tranh cãi lâu nay rằng phần nhiều sự phá hủy của tầng azone ở Nam Cực có liên quan đến

hoạt động của các tia vũ trụ, theo khẳng định của một nhà vật lí người Canada. Kết luận này

đi ngược lại một lí thuyết được chấp nhận rộng rãi rằng tầng ozone – cái khiên che chắn Trái

đất khỏi bức xạ tử ngoại nguy hại – bị suy yếu qua tác động trực tiếp của ánh sáng mặt trời.

Qing-Bin Lu thuộc trường đại học Waterloo còn tiên đoán, biết được khoảng thời

gian chu kì 11 năm của tia vũ trụ, lỗ thủng tầng ozone sẽ đặc biệt lớn vào năm 2008-09 và

1019-2020 (Phys Rev Lett 102 118501 ).

Bị phá vỡ bởi ánh sáng hay electron ?

Phía trên Nam Cực, mật độ ozone giảm xuống thấp bằng một phần ba hàm lượng của

nó trước năm 1975, với “lỗ thủng” ozone này xuất hiện vào mùa xuân ở cực nam. Hiểu biết

hiện nay về quá trình suy kiệt là các chất gây ô nhiễm chlorofluorocarbon (CFC) bị phá vỡ

bởi ánh sáng tử ngoại của Mặt trời. Hiện tượng này xảy ra ở các cao độ lớn (khoảng 40 km),

và các mảnh vỡ CFC sau đó tải đến các cao độ thấp hơn (dưới 20 km) qua sự lưu thông

không khí. Vào mùa đông ở Nam Cực, các mảnh vỡ này lưu trú trên các hạt băng tuyết, trong

đó một số phản ứng hóa học biến đổi chúng thành chlorine phân tử. Sự có mặt của ánh sáng

mặt trời vào mùa xuân Nam Cực sau đó giải phóng chlorine nguyên tử, tác nhân gây phá hủy

tầng ozone.

Tuy nhiên, Lu tin rằng các tia vũ trụ mới phá vỡ các phân tử CFC. Ông nói khi các tia

vũ trụ làm ion hóa các phân tử khí quyển, thì các electron được phóng thích có thể được trữ

lại trên bề mặt của các hạt băng và những electron này, chứ không phải ánh sáng mặt trời,

làm phá vỡ các phân tử CFC và biến đổi các mảnh vỡ thành chlorine phân tử.

Hồi năm 1999 và 2001, Lu và các đồng sự đã đưa ra bằng chứng ủng hộ lí thuyết này

bởi việc tiến hành các thí nghiệm ở nhiệt độ thấp cho thấy sự phá vỡ của các phân tử CFC

bởi các electron tăng thêm đáng kể khi các phân tử CFC được đặt trên một bề mặt cùng với

phân tử băng vùng cực. Năm 2001, Lu cũng đã sử dụng dữ liệu vệ tinh để chỉ ra một mối

tương quan giữa cường độ tia vũ trụ và sự mất mát ozone ở các vĩ độ từ 0 đến 65 độ Nam. Sự

biến thiên này xuất hiện trong chu kì tia vũ trụ xảy ra giữa năm 1981 và 1992.

Dữ liệu mới từ mặt đất và từ không gian

Hiện nay, Lu đã trau chuốt thêm cho mô hình của ông bằng cách nhờ đến dữ liệu khí

hậu trên quy mô rộng lớn hơn. Sử dụng các phép đo hàm lượng ozone do các vệ tinh TOMS



và OMI của NASA thu thập và dữ liệu tia vũ trụ từ một vài trạm mặt đất, ông đã chứng minh

rằng cường độ tia vũ trụ và tổng lượng ozone trung bình hàng năm có liên quan với nhau, ở

các vĩ độ từ 0 đến 60 độ Nam, giữa năm 1980 và 2007 – một khoảng thời gian chứa hai chu

kì tia vũ trụ.

Ông cũng tìm thấy một mối tương quan giữa cường độ tia vũ trụ và sự thăng giáng

ozone ở Nam Cực (giữa các vĩ độ 60 và 90 độ Nam) từ một tháng 10 này đến 10 năm sau từ

năm 1990 đến năm 2007.

“Những mối tương quan này có nghĩa là gần như 100% sự mất mát ozone phía trên

Nam Cực phải bị chi phối bởi các tia vũ trụ”, ông nói, đồng thời chỉ ra rằng mức độ biến

thiên của cường độ tia vũ trụ và oznone Nam Cực là rất giống nhau (đều khoảng 10%). “Nói

cách khác, bất kì cơ chế nào không liên quan đến tia vũ trụ, nếu như nó tồn tại, đều phải là

một hiệu ứng rất thứ yếu hoặc không đáng kể”.

Tiên đoán 2008

Ngoài việc phân tích dữ liệu quá khứ, Lu còn đưa ra một tiên đoán vào lúc viết bài

báo của ông hồi tháng 8 năm ngoái. Ông nói rằng lượng ozone phía trên Nam Cực vào tháng

10 năm 2008 sẽ thấp hơn khoảng 14,5% so với hàm lượng ozone vào tháng 10 năm 1992

(điểm tham chiếu của ông), và rằng sẽ có một cực tiểu đáng kể nữa trong giai đoạn 2019-

2020. Ông nói dữ liệu vệ tinh mới nhất phù hợp với tiên đoán 2008 của ông trong vòng 5%,

và ông còn chỉ ra rằng hàm lượng ozone Nam Cực vào tháng 11 và tháng 12 năm ngoái hầu

như đều được ghi nhận là thấp.

Tuy nhiên, Neil Harris thuộc Ủy ban phối hợp Nghiên cứu Ozone châu Âu ở

Cambridge, Anh, không bị thuyết phục. Ông phát biểu với physicsworld.com rằng việc đưa

ra một mối quan hệ thống kê là không đủ để chứng minh giá trị của cơ chế tia vũ trụ vì còn

có những yếu tố khác biến đổi trong chu kì mặt trời. Trong bất kì trường hợp nào, ông nói,

Lu đã sai khi so sánh cường độ tia vũ trụ với tổng lượng ozone vì các phép đo hàm lượng

ozone phụ thuộc vào chuyển động của lớp ozone xung quanh khí quyển cũng như sự biến

mất thực sự của ozone.

“Ông ta đã đưa ra một cơ chế nữa để giải thích sự hình thành của chlorine nguyên tử”,

Harris thêm. “Nhưng không cần thiết phải có thêm cơ chế này nữa vì chlorine có thể được

tạo ra bởi ánh sáng mặt trời trực tiếp”.


Kĩ thuật mới tăng độ nhạy NMR lên 1000 lần

Ảnh chụp MRI của pyridine phân cực và không phân cực. (a) là mẫu đã phân cực và (b) là mẫu không phân

cực. (c) và (d) là các mẫu tương ứng giống như (a) và (b) nhưng có một vài ống thủy tinh chèn bên trong. Sự

khác biệt độ tương phản giữa (c) và (d) là do độ nhạy tăng thêm của kĩ thuật siêu phân cực (Ảnh: Science)

Các nhà nghiên cứu ở Anh vừa phát minh ra một phương pháp mới làm tăng thêm độ

nhạy của các phép đo cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) lên 1000 lần. Kĩ thuật bao gồm việc

trộn các phân tử cần nghiên cứu với một “chất đồng phân spin” của hydrogen và một hydride

kim loại, đưa các spin của mẫu vật vào một trạng thái năng lượng đặc biệt. Việc này làm cho

các phân tử dễ nhìn thấy hơn nhiều với các phép đo NMR cũng như phép ghi ảnh cộng

hưởng từ (MRI), phương pháp sử dụng NMR để lập bản đồ các loại mô khác nhau bên trong

cơ thể.

Theo các nhà nghiên cứu, đứng đầu là Simon Duckett và Gary Green đến từ Đại học

York, các phân tử được xử lí theo cách này có thể một ngày nào đó được đưa vào trong cơ

thể, làm giảm thời gian chụp ảnh MRI từ hàng giờ xuống còn một phần của một giây. Việc

này, họ nói, có thể cho phép các nhà nghiên cứu y khoa theo dõi một bệnh nhân phản ứng

như thế nào trong thời gian thực với liệu pháp sử dụng thuốc điều trị. Nó cũng cho phép

những phép quét rộng hơn và chi tiết hơn được thực hiện - cho phép bác sĩ nhìn thấy các

khối u sớm hơn so với hiện nay có thể (Science 323 1708).

http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/323/5922/1708


Các phép đo NMR được thực hiện bằng cách phơi một mẫu vật trước một từ trường

rất cao, làm sắp thẳng hàng các moment từ của hạt nhân của nó theo một hướng đặc biệt. Các

mức năng lượng từ bị lượng tử hóa, và khoảng cách giữa các mức – cũng như thời gian cần

thiết cho các chuyển tiếp giữa những mức này – có thể đo bằng cách đặt một tín hiệu tần số

vô tuyến gây ra một sự chuyển mức và rồi đo các tín hiệu vô tuyến giải phóng ra khi các

moment từ trở lại trạng thái cân bằng. Phương pháp này mang lại nhiều thông tin về thành

phần hóa học và thành phần cấu trúc của mẫu vật.

Một vài phân tử tham gia

Trở ngại với NMR là các mức năng lượng muốn khảo sát trong mẫu vật ở nhiệt độ

phòng hầy như được phân bố đều. Chỉ một phần rất nhỏ các phân tử trong mẫu – chưa tới 1

trong 30.000 – góp phần cho tín hiệu NMR. Một số nhà nghiên cứu đã thử giải phóng vấn đề

này bằng các kĩ thuật “siêu phân cực” đa dạng truyền spin sang các phân tử muốn khảo sát để

đảm bảo đa số các phân tử nằm trong một trạng thái spin hạt nhân nhất định.

Thật không may, một số trong các kĩ thuật này cần thời gian chuẩn bị mẫu lâu dài

trong khi những kĩ thuật khác thì làm biến đổi các phân tử mục tiêu trong các phản ứng hóa

học – cả hai nhóm kĩ thuật không thích hợp cho chụp quét y khoa. Cái đội của Duckett thực

hiện là đưa ra một phương pháp truyền spin từ “parahydrogen” – một chất đồng vị spin của

phân tử hydrogen không có moment từ tổng – sang phân tử hữu cơ pyridine C5H5N.

Kĩ thuật bao gồm trộn lẫn pyridine với parahydrogen và iridium dihydride. Các phân

tử parahydrogen và iridium dihydride ban đầu kết cặp tạo ra một phức kim loại ở trong một

trạng thái từ spin đặc biệt. Phức chất này sau đó tự gắn nó với một phân tử pyridine, và một

lần nữa toàn bộ cấu trúc ở trong một trạng thái từ spin nhất định. Sau đó cấu trúc phá vỡ

thành ba thành phần ban đầu – để lại pyridine ở trong trạng thái từ spin như mong muốn.

Tin tốt lành cho các nhà hóa học

Duckett phát biểu với physicsworld.com rằng bằng cách làm như vậy, đội nghiên cứu

đã có thể tăng cường các tín hiệu NMR proton, carbon và nitrogen từ pyridine lên 1350 lần

so với các mẫu không qua xử lí. Các kết quả tương tự cũng thu được với hợp chất

nicotinamide và Duckett nói kĩ thuật đó có thể áp dụng cho các phân tử khác nữa. Tiến bộ

này có thể là tin tốt lành cho các nhà hóa học vì nó sẽ làm tăng hiệu suất của NMR phân giải

cao.

Một thuận lợi nữa là kĩ thuật có thể sử dụng mà không cần sửa đổi thiết bị MRI, nghĩa

là kĩ thuật có thể dễ dàng trang bị trên các máy quét hiện sử dụng trong các bệnh viện. Ngoài

ra, các phân tử được xử lí theo cách này sẽ kiên định ở lại trong phép chụp quét so với các

phân tử giống hệt không qua xử lí, cho phép các phân tử đã xử lí được theo dõi khi chúng di

chuyển trong cơ thể.

Đội nghiên cứu đã đăng kí bằng sáng chế cho phương pháp trên và Green nói rằng họ

“đang khảo sát các lựa chọn thương mại”.


Laser lớn nhất thế giới đi vào hoạt động

Bên trong của buồn mục tiêu NIF. Mô-đun dịch vụ mang các kĩ thuật viên có thể nhìn thấy ở phía bên trái.

Bộ định vị mục tiêu, giữ lấy mục tiêu, ở phía bên phải (Ảnh: NIF)

Các nhà vật lí đang ở bên bờ của việc chứng minh có lẽ là ứng dụng cuối cùng của

laser: tạo ra sự nhiệt hạch hạt nhân trong phòng thí nghiệm.

Vào cuối ngày hôm qua, 31/3, Bộ Năng lượng Mĩ đã cấp phép chính thức cho các thí

nghiệm bắt đầu tại Tổ hợp Đánh lửa quốc gia (NIF) trị giá 4 tỉ đô la tại Phòng thí nghiệm

quốc gia Lawrence Livermore ở California. NIF là một tổ hợp thiết bị khổng lồ gồm 192

chùm laser dạng xung với năng lượng tổng cộng 1,8 MJ, năng lượng tính cao gấp 60 lần so

với năng lượng bất kì cỗ máy nào hiện đang tồn tại. Những thí nghiệm đầu tiên được trông

đợi bắt đầu vào tháng 5 tới.

Mục tiêu chính của NIF là tập trung toàn bộ năng lượng đó lên một quả cầu rỗng

đường kính 2mm cấu tạo từ beryllium và được đông lạnh tới 1,8K. Năng lượng này sẽ làm

cho quả cầu nổ tung vào bên trong và ép hạt nhân deuterium và tritium nằm bên trong cho

đến khi chúng hợp nhất để làm bật “mồi lửa” – điểm tại đó đủ nhiệt phát sinh ra để phản ứng

với nhiên liệu xung quanh và mang lại một sự cháy duy trì tạo ra năng lượng dư thừa. “Mồi


lửa là một thách thức lớn. Người ta chờ đợi thời khắc này đã từ lâu”, theo lời giám đốc NIF,

Ed Moses.

Việc xây dựng NIF đã bắt đầu vào năm 1997 nhưng lúc đầu không diễn ra suôn sẻ,

với các tụ úp bị nổ tung. Các thiết kế lại kéo dài là cần thiết, khiến Bộ Năng lượng Mĩ đã

đánh giá lại dự án và lùi lại lịch trình và ngân quỹ dành cho nó. NIF hiện nay đang mở cửa

sau lịch định 5 năm và bội chi hơn 4 lần.

Đánh lửa nhiệt hạch

NIF là một thiết bị khổng lồ - kích cỡ đại khái chừng ba sân bóng. Mỗi xung laser bắt

đầu phát ra là một chùm tia hồng ngoại 1 μm bị tách thành 48 chùm rồi đưa vào các bộ

khuếch đại tăng năng lượng của chúng lên 10 tỉ lần. Mỗi chùm tia sau đó bị tách thành bốn

và lần lượt đi qua các bộ khuếch đại chính. Sau khi biến đổi bước sóng thành tử ngoại, tổng

năng lượng của 192 chùm tia là 1,8 MJ. Khi xung laser đã kết hợp lại chạm tới quả cầu 2mm,

nó nổ tung, gây ra một sức ép vào bên trong ép nhiên liệu vào vùng chính giữa và nén nó đến

mật độ gấp 100 lần mật độ của chì và nhiệt độ lên tới 108 K.

Nhiệt độ và mật độ này đủ để mồi lửa cho sự nhiệt hạch ở chính giữa, sau đó bùng

cháy ra bên ngoài đến các phần lạnh hơn của nhiên liệu. Nhiên liệu bị bắt lại bởi quán tính

riêng của nó: sự cháy nhiệt hạch diễn ra nhanh hơn nhiên liệu có thể chuyển động để thoát ra.

Trên lí thuyết, nếu toàn bộ nhiên liệu bốc cháy, thì ít nhất có 20 MJ năng lượng sẽ được giải

phóng.

Moses nói rằng đội ngũ NIF có kế hoạch tăng năng lượng laser lên 1 MJ vào cuối

năm nay và đạt tới công suất trọn vẹn vào cuối năm 2010, nhưng tiên đoán rằng họ sẽ thu

được sự đánh lửa trước thời điểm đó. “Chúng tôi đang cảm thấy rất tin tưởng”, Moses nói.

Mike Dunne, lãnh đạo Tổ hợp thiết bị Laser Trung tâm tại Phòng thí nghiệm Rutherford

Appleton ở Anh, đồng ý rằng NIF “rất có khả năng thành công”, nhưng cảnh báo rằng laser

đó có thể tạo ra các “sóng cộng hưởng” trong plasma làm nóng nó nhanh hơn so với nó có

thể nén lại nên sự các điều kiện đánh lửa lí tưởng không đạt được.

Các hành tinh, sao và sao siêu mới khổng lồ

Một trở ngại có thể nữa là “các bất ổn định thủy động” trộn beryllium của quả cầu với

nhiên liệu, vì thế tước mất khả năng giữ nhiệt của plasma. NIF cũng được sử dụng để xác

thực các mô phỏng máy tính của vũ khí hạt nhân để đảm bảo rằng kho dự trữ hạt nhân của

Mĩ là an toàn, trong khi các nhà thiên văn vật lí sẽ sử dụng nó để mô phỏng lõi bên trong các

hành tinh, sao và sao siêu mới khổng lồ.


Nhìn thấy các vật thể sống với các hạt nano

MPI là một công nghệ ghi ảnh y khoa mới.

Các mũi tên tương ứng chỉ tâm thất trái và phải.

Các nhà nghiên cứu ở Hà Lan vừa chụp được ảnh dòng máu trong một sinh vật sống

lần đầu tiên, sử dụng một công nghệ y khoa gọi là ghi ảnh hạt từ (MPI). Trong phương pháp

này, các hạt nano sắt oxide được tiêm vào dòng máu của những con chuột trước khi dòng

chảy của chúng được tìm thấy qua các cơ quan thiết yếu, sử dụng một kĩ thuật tương tự như

chụp ảnh từ hạt nhân (MRI).

Nếu công nghệ đó lúc này được sửa lại để sử dụng trong cơ thể người, thì nó có thể

giúp chẩn đoán bệnh tim và ung thư và theo dõi phản ứng của cơ thế với liệu pháp điều trị

của những căn bệnh này.

“Nếu chúng ta có thể biết lượng máu hấp thụ bởi một mô bị ung thư, chúng ta có thể

biết được nhiều điều về cách nó đang phản ứng với liệu pháp điều trị nhất định nào đó”, theo

Joern Bogert, một trong các nhà nghiên cứu tại Phòng Nghiên cứu Royal Phillips ở

Hamburg.

Ý tưởng từ

Theo năm tháng, các thủ tục ghi ảnh y khoa như tia X và MRI đã được trau chuốt để

tạo ra những bức ảnh chụp nhanh chất lượng cao của xương và các mô cứng bên trong cơ

thể. Tuy nhiên, khi phân giải các mô mềm và các khối lỏng, thì những kĩ thuật này có sự

thành công hạn chế. Dẫu vậy, các hạt sắt oxide tiêm vào ttrong cơ thể rất dễ nhìn thấy vì

không có hạt từ tính nào khác có mặt tự nhiên trong dòng máu.

Sau khi nghĩ ra kĩ thuật MPI vào năm 2001, các nhà nghiên cứu Phillips sau đó đã

đưa ra một cấu hình ban đầu của máy quét MPI của họ trên tờ Nature năm 2005. Vào lúc ấy,

MPI chỉ có thể tạo ra các bức ảnh 2D và xử lí thời gian quá chậm để có thể dùng trong các

ứng dụng y khoa.


Hơn 4 năm qua, các nhà nghiên cứu đã cải thiện kĩ thuật đó để thu được độ phân giải

không cao trong không gian 3D, và các bức ảnh có thể chụp trong những khoảng thời gian

ngắn cỡ một phần 50 của một giây.

Với tiến bộ mới nhất này, các nhà nghiên cứu đã chuyển MPI từ một mẫu vô cơ sang

một thử nghiệm y khoa trọn vẹn trong một cơ thể sống. Những loạt thí nghiệm trong cơ thể

sống gồm các phép quét trên 18 con chuột sử dụng mật độ nguyên tử đánh dấu trong ngưỡng

từ 8 đến 45 micro mol sắt oxide. Để xác nhận tín hiệu MPI thật sự phản ánh bộ xương của

chuột, các nhà nghiên cứu sau đó đã đưa những con chuột vào máy quét MRI chuẩn và đã tạo

ra một loạt ảnh tham chiếu (Phys. Med. Biol. 54.5).

Sẵn sàng cho bệnh viện ?

“Việc kiểm nghiệm MPI trong cơ thể sống là một đột phá quan trọng đối với chúng ta

– những cơ thể hết sức phức tạp và đó là nguyên do vì sao nhiều thủ tục y khoa đã thất bại ở

giai đoạn này”, Bogert phát biểu với physicsworld.com.

Bước tiếp theo là nâng cấp kĩ thuật này để sử dụng trên cơ thể người. Sử dụng nhiều

yếu tố định cỡ, các nhà nghiên cứu tiên đoán rằng – không cần có thêm sự nâng cấp nào đối

với kĩ thuật – nó sẽ tạo ra những bức ảnh chỉ đạt 10% so với những kết quả thu được từ các

thí nghiệm trên chuột. Với hạn chế này, công nghệ mới này vẫn sẽ còn tiến một bước dài nữa

mới đưa vào sử dụng trong bệnh viện được.

“MPI có lẽ có khả năng thay thế hoặc hỗ trợ một số thủ tục MRI, nhưng không có khả

năng nó sẽ thay thế MRI”, theo Philip Grandinetti, một nhà nghiên cứu các phương pháp

NMR tại Đại học bang Ohio.

Matthew Allen thuộc Đại học bang Wayne cũng cảnh báo, “MPI có thể hữu dụng

trong việc ghi ảnh các cấu trúc chức năng như nguồn cấp máu mạch vành, nhưng MRI mang

lại được dữ liệu giải phẫu mà MPI không thể - vì MRI ghi ảnh mô không cần các hạt nano”.

“Những trở ngại khác có thể bao gồm việc thu được sự chấp thuận từ chính quyền

cho việc sử dụng MPI trong phòng khám và thuyết phục các bác sĩ chuyển đổi các kĩ thuật

ghi ảnh hiện nay của họ sang MPI”, ông thêm.

http://www.iop.org/EJ/abstract/0031-9155/54/5/L01/

tổng hợp tin vật lí tháng 2&3/2009

Documents