vatlythpt

M

Các thuật ngữ vật lý

Thứ Bảy, 8 tháng 11, 2008
Giới thiệu các thuật ngữ mới về vật lý và công nghệ - Soliton - sóng đơn độc - Hiệu ứng Casimir - Spin điện tử học spinelectronics hay spintronics

Năm 1834 John Scott Russel, một kỹ sư xây dựng người Scôtlen khi cưỡi ngựa dọc theo kênh đào gần Edinburgh đã quan sát thấy một hiện tượng kỳ lạ. Khi chiếc thuyền do ngựa kéo đột ngột dừng lại, trên mặt nước của kênh có một sóng đơn độc truyền đi xa đến hơn cây số mà không thay đổi cả hình dạng lẫn vận tốc. Từ sau khi Russel quan sát thấy, người ta đặt tên đây là sóng đơn độc (solitary wave) hay là soliton. Nhiều nhà toán học tìm những phương trình toán lý mô tả sóng đơn độc, những nhà vật lý, những nhà sinh học đều quan tâm đến sóng này.

Gần đây soliton được chú ý ứng dụng vào thực tiễn ở lĩnh vực thông tin cáp quang.

Người ta nghĩ rằng nếu soliton mang thông tin và truyền theo cáp quang thì có rất nhiều ưu việt, nổi bật nhất là soliton đi rất xa trong cáp quang mà không bị méo mó, không cần phải cứ một quãng đường truyền lại phải có bộ khuếch đại.

Các phòng thí nghiệm lớn của các hãng hàng đầu, thí dụ Bell Labs đã tích cực nghiên cứu soliton để ứng dụng. Năm 1980 Mollenauer, người đứng đầu nghiên cứu về soliton ở Bell Labs lần đầu tiên đã tạo được soliton truyền trong cáp quang. Xung soliton có dạng cái chuông, cứ truyền đi xa mà dạng chuông không thay đổi. Năm 1988 Mollenauer thực hiện được việc truyền soliton một quãng đường 4000 km mà hình dạng vẫn không thay đổi. Ông hy vọng rằng có thể dùng soliton để truyền tin dưới biển. Nhưng khó khăn là ở việc chế tạo các máy soliton truyền tin.

Vấn đề dùng soliton để truyền tin bị lắng xuống bắt đầu từ giữa những năm 90 khi xuất hiện mạng phân nhánh đa hợp (DWDM), mạng có thể tải trong cùng một sợi quang hàng tỉ bit thông tin, mạng lại có thể khuếch đại các tín hiệu bằng phương pháp quang, không cần thiết phải chuyển sang điện tử.

Nhưng nhóm của Mollenauer ở Bell Labs vẫn tiếp tục phát triển và năm 1994 đã thực hiện được kỷ lục: truyền soliton đi được khoảng cách 40.000 km, tức là một lần vòng quanh quả đất. Một số hãng khác ở Nhật, ở Anh từ năm 1995 cũng đẩy mạnh nghiên cứu soliton với mục đích sử dụng để truyền tin. Lucent Technologies, hãng công nghệ cha đẻ của Bell Labs đang phát triển các hệ máy phát soliton hy vọng rằng sắp tới sẽ dùng soliton để truyền tin không cần tiếp chuyển rất ít tốn kém. Công nghệ tiếp chuyển hiện nay là công nghệ phải đầu tư hàng tỉ đô la để làm các máy tiếp chuyển, vừa phát lại vừa sửa xung, cứ 500 hay 600 kilômet trên đường truyền tin là phải lắp đặt một máy như vậy rất tốn kém.

Như vậy soliton ban đầu khi được phát hiện ra là một sóng đơn độc, mắt nhìn thấy nổi cộm lên trên mặt nước và có thể thấy nó từ từ chuyển động đi rất xa mà không thay đổi hình dạng của sóng. Ngày nay nói đến soliton người ta hình dung đó là một loại sóng đặc biệt có thể truyền đi nhanh và đi rất xa không cần tiếp chuyển mà sóng vẫn không yếu đi, không thay đổi, đang được nghiên cứu mạnh phục vụ công nghệ truyền tin.

Hiệu ứng Casimir

Năm 1948 nhà vật lý Hà Lan Hendrik Casimir (đã mất năm 2000) phát hiện thấy có một lực rất tinh vi rất bí hiểm xuất hiện khi tấm gương thật phẳng cách nhau cỡ vài micrômet.

Gọi là bí hiểm vì đây không phải là lực điện, lực cơ, lực từ hay lực hấp dẫn thông thường mà nguồn gốc của lực lại là khoảng không giữa hai tấm.

Người ta giải thích hiệu ứng Casimir như sau: Ðó là một lực hoàn toàn lượng tử, liên quan đến nguyên lý bất định Heisenberg là không thể đồng thời biết chính xác vị trí và vận tốc của hạt. Cũng từ nguyên lý này, người ta suy ra là mọi trường điện từ đều bị thăng giáng lượng tử, bị ồn. Cái mà ta thường gọi là chân không không có nghĩa là không có gì cả. Chân không chính là nơi bẫy các thăng giáng lượng tử, mà thăng giáng lượng tử cũng tương tự như một loại sóng, đặc biệt là có mang năng lượng và năng lượng đó phụ thuộc vào tần số.

Xét hai bản dẫn điện đặt song song phía ngoài hai bản, sóng nào cũng có thể tồn tại được. Nhưng phía trong hai bản, chỉ có một số sóng được phép tồn tại: đó là những sóng thỏa mãn điều kiện biên, bằng không ở ngay các bản. Như vậy có một sự chênh lệch về năng lượng, năng lượng sóng ở bên ngoài hai bản nhiều còn năng lượng sóng ở giữa hai bản ít hơn. Kết quả là hai bản hút nhau với một lực, đó là lực Casimir. Lực này rất yếu: hai bản, mỗi bản diện tích 1cm2, cách nhau 1 mm hút nhau một lực là 10-7 Newton, đó là trọng lượng của 0,1 mg, rất nhỏ. Nhưng nếu tăng diện tích hai bản lên gấp đôi và rút nhỏ khoảng cách lại 10 lần, lực đó sẽ tăng lên 10.000 lần.
Một nhóm nghiên cứu ở Bell Lab đã làm thí nghiệm như sau: lấy một quả cầu bán kính 300 mm bằng nhựa polystyren phủ kim loại gắn với một cái cần, phía dưới là một mặt phẳng diện tích 500 micromet vuông có thể bập bênh qua một trục nằm ngang.

Kết quả rất cụ thể: khi hạ quả cầu gần sát mặt phẳng, quả cầu làm cho mặt phẳng nghiêng lên trên (quả cầu không chạm mặt phẳng), đưa quả cầu ra xa, bập bênh lại hạ xuống.

Những nhà lý thuyết quan tâm đến hiệu ứng Casimir và hy vọng có thể từ đây hiểu rõ hơn thăng giáng của chân không và khai thác năng lượng chân không.

Các nhà thực nghiệm về công nghệ nanô chú ý đến hiệu ứng Casimir vì khi làm những linh kiện, những chi tiết nhỏ đến cỡ nanô, hiệu ứng Casimir có thể thể hiện rõ rệt.

Spin điện tử học
spinelectronics hay spintronics

Ðây là danh từ xuất hiện độ 10 năm gần đây. Nguyên là từ khi biết đuợc các tính chất đặc biệt của điện tử (electron) như là mang điện tích âm e, có khối lượng rất nhỏ, dễ dàng chuyển động trong chân không cũng như trong vật dẫn, dễ điều khiển bằng điện trường hoặc từ trường... một ngành khoa học phát triển rất mạnh có tên là điện tử học (electronics). Những thành tựu nổi bật của ngành này ban đầu là các đèn điện tử chân không với các máy móc điện tử trên cơ sở đèn điện tử chân không. Từ năm 1948 sau khi chế tạo được bán dẫn và tranzito, điện tử học phát triển thành điện tử bán dẫn và đỉnh cao phát triển của ngành này là vi điện tử (microelectronics). Vi điện tử phát triển vào cuối thế kỷ XX, làm ra mạch tích hợp và đỉnh cao là các chip, các bộ vi xử lý, từ đó phát triển máy tính, công nghệ thông tin.

Tốc độ phát triển nhanh của công nghệ vi điện tử thể hiện điển hình ở quy luật Moore: cứ 18 tháng số linh kiện tích hợp được trên một chip tăng lên gấp đôi. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ vi điện tử theo như quy luật Moore có vẻ không còn lâu dài nữa. Lý do chính: mật độ tích hợp linh kiện càng cao thì diện tích dành cho linh liện càng nhỏ. Linh kiện quan trọng nhất ở mạch tích hợp là tranzito, nếu theo đà này thì chưa đầy 10 năm nữa diện tích dành cho một tranzito chỉ vào cỡ trên dưới 10 nanômet. Ở kích cỡ nhỏ như thế này nhiều tính chất lượng tử sẽ thể hiện mạnh, tranzito cũng như nhiều linh kiện khác làm việc theo các nguyên lý như lâu nay sẽ không còn làm việc được nữa.

Người ta đang tìm nhiều cách khắc phục. Một hướng quan trọng là lợi dụng spin của điện tử. Ta biết rằng ở điện tử học chân không, điện tử học bán dẫn cùng như vi điện tử người ta chỉ chú ý đến điện tích e của điện tử, mọi điều khiển tinh vi đối với điện tử đều dựa vào cách dùng điện trường tác dụng lên điện tử. Nhưng điện tử còn có một thuộc tính lượng tử quan trọng là spin, nó chỉ có thể có một trong hai giá trị nhất định là +1/2 và -1/2. Mà spin của điện tử lại có thể điều khiển bằng từ trường.

Vì những lẽ trên đã xuất hiện một ngành mới có tên là spin điện tử học (spinelectronics hay spintronics). Thực sự danh từ này xuất hiện khi người ta có ý định xây dựng một ngành tương tự như điện tử học bán dẫn nhưng thay thế cho việc điều khiển điện tử và lỗ trống ở bán dẫn bằng việc điều khiển điện tử có spin lên và spin xuống (+1/2 và -1/2) bằng từ trường. Tầm điều khiển spin điện tử bằng từ trường vào cỡ nanomet, nhỏ hơn là tầm điều khiển điện tích điện tử bằng điện trường (cỡ micromet) nên người ta hy vọng các linh kiện spin điện tử học sẽ nhỏ hơn.

Thực ra người ta đang có ý định mở rộng ra, điều khiển spin của một số hạt khác nữa ngoài spin của điện tử (thí dụ spin của nguyên tử). Nhưng chủ yếu hiện nay là tập trung vào spin của điện tử nên thường gọi là ngành spin điện tử học chứ ít gọi là spin tử học.

Ngành spin điện tử học đã cho ra đời những linh kiện, những sản phẩm cho công nghệ cao hiện nay thí dụ đầu đọc GMR (đầu đọc từ điện trở khổng lồ), bộ nhớ MRAM (bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên từ điện trở) tranzito MTJ (tranzito tiếp xúc tunen từ) v.v...


  • https://www.tailieuthpt.tk/2008/11/cac-thuat-ngu-vat-ly.html
cám ơn bạn đã quan tâm và rất vui vì bài viết đã đem lại thông tin hữu ích cho bạn.