CANADA – Các nhà nghiên cứu tại đại học McGill (McGill university) đã chế tạo thành công một thiết bị mới có khả năng tạo ra các hạt cấu trúc âm thanh, còn gọi là phonon(*), ở điều kiện nhiệt độ cực thấp. Công nghệ này có thể ứng dụng để phát triển các loại laser phonon, mở ra tiềm năng lớn trong lĩnh vực truyền thông và chẩn đoán y tế. (*) Phonon: Nếu như photon là hạt ánh sáng, thì phonon chính là “hạt âm thanh” (hoặc hạt cơ học). Trong vật lý, phonon không phải là một hạt vật chất có thật như electron hay proton, mà nó là một chuẩn hạt (quasiparticle) dùng để định lượng các dao động cơ học hoặc dao động nhiệt bên trong một mạng tinh thể rắn.
Ông Michael Hilke, Phó giáo sư vật lý kiêm đồng tác giả nghiên cứu, chia sẻ: “Hệ thống thông tin liên lạc hiện đại phần lớn dựa trên ánh sáng, bao gồm sóng điện từ và dòng điện. Tuy nhiên, trong các môi trường như dưới đại dương, âm thanh có thể truyền đi được, nhưng ánh sáng và dòng điện thì không. Ngay cả trong cơ thể con người, sóng âm cũng là một công cụ vô cùng hữu ích.”
Thiết bị này được chế tạo và phân tích tại đại học McGill cùng hội đồng nghiên cứu quốc gia Canada, trong khi phần vật liệu được tổng hợp tại đại học Princeton.
Các electron tốc độ cao tạo ra các rung động dạng âm thanh Cơ chế hoạt động của thiết bị là truyền một dòng điện qua một lớp tinh thể hai chiều, giúp bẫy các electron vào một kênh dẫn có độ dày chỉ vài nguyên tử. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng khi các electron được đẩy đủ mạnh qua kênh này, chúng sẽ giải phóng năng lượng dưới dạng các đợt rung động giống như âm thanh, gọi là các phonon, theo các mô hình có thể dự đoán và điều chỉnh được.
Điều này khả thi nhờ việc làm lạnh thiết bị xuống mức nhiệt độ từ -273,14oC đến -269,5oC. Ở điều kiện này, các electron hoạt động ổn định và dễ dự đoán hơn, cho phép các nhà khoa học quan sát được các hiện tượng hiệu ứng lượng tử, xảy ra khi vật chất hoạt động như sóng thay vì các hạt rắn.
Giáo sư Hilke giải thích: “Tại mức nhiệt độ cận độ tuyệt đối, tức là thế giới của vật lý lượng tử, không có âm thanh nào được tạo ra trừ khi các electron dịch chuyển tập thể bằng hoặc vượt quá tốc độ âm thanh”.
Giáo sư Hilke nói tiếp: “Các nghiên cứu trước đây từng ghi nhận các hiệu ứng liên quan khi tốc độ của electron tiếp cận rào cản âm thanh. Nghiên cứu của nhóm tiến xa hơn bằng cách đẩy hệ thống vượt sâu qua giới hạn đó, đồng thời chỉ ra rằng các lý thuyết hiện tại cần được đánh giá lại: các electron có thể trở nên rất nóng ngay cả khi mạng tinh thể nền đang ở gần độ không tuyệt đối.”
Vật liệu mới có tiềm năng đẩy nhanh tốc độ chế tạo thiết bị Giáo sư Hilke cho biết bước tiếp theo của dự án là thử nghiệm chế tạo thiết bị bằng các vật liệu khác, như graphene, nhằm giúp hệ thống vận hành với tốc độ cao hơn nữa.
Nghiên cứu này có thể đặt nền móng cho các công nghệ truyền thông tốc độ cao, cũng như các công cụ cảm biến, vật liệu sinh học và hệ thống y tế tiên tiến trong tương lai.
Giáo sư Hilke chia sẻ: “Phonon vốn rất khó tạo ra và kiểm soát một cách định hướng, vì vậy nhóm đang khám phá những cơ chế vận hành hoàn toàn mới. Ở góc độ rộng hơn, nghiên cứu này xoay quanh cách dòng điện và năng lượng di chuyển, cũng như cách chúng chuyển hóa bên trong các vật liệu điện tử tiên tiến”.
Bài báo khoa học với tiêu đề “Resonant magnetophonon emission by supersonic electrons in ultrahigh-mobility two-dimensional systems” (tạm dịch là “Phát xạ magnetophonon cộng hưởng bởi các electron siêu thanh trong hệ thống hai chiều có độ linh động cao”) của tác giả Michael Hilke và các cộng sự đã được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters.
Nghiên cứu này được tài trợ bởi hội đồng nghiên cứu khoa học tự nhiên và kỹ thuật Canada (Natural sciences and engineering research council of Canada) và quỹ nghiên cứu Québec (Fonds de recherche du Québec), phân viện tự nhiên và công nghệ (Nature et technologie).
Để xem các tin bài khác về “Phonon”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Electronics Online
