BẢN TIN VẬT LÍ THÁNG 11 2009

HiepKhachQuay Bản tin Vật lí Tháng 11/2009 Chất siêu dẫn nhiệt độ cao siêu mỏng Các nhà vật lí Mĩ vừa chế tạo chất siêu dẫn nhiệt độ cao mỏng giới, chứng minh tượng tồn chiều dày vài nguyên tử Ivan Bozovic BNL Media & Communications Office Gennady Logvenov cộng Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven Upton, New York, Mĩ, vừa chế tạo màng phân lớp đồng oxide hay chất liệu "cuprate” phát thấy họ khoanh vùng hành trạng siêu dẫn mặt phẳng đơn nguyên tử Họ nói khám phá giúp nhà lí thuyết xây dựng mô hình toàn diện siêu dẫn nhiệt độ cao, đưa đến dụng cụ màng mỏng có tính chất siêu dẫn chúng điều chỉnh điện trường “Chúng muốn trả lời câu hỏi màng thế”, thành viên đội nghiên cứu, Ivan Bozovic, nói “Đó là: màng mỏng mà giữ siêu dẫn nhiệt độ cao?” Không có điện trở Được phát vào đầu kỉ 20, siêu dẫn tượng nhờ điện trở chất đột ngột giảm xuống không chất bị đông lạnh xuống nhiệt độ đặc biệt – gọi nhiệt độ chuyển pha (TC) Nó tồn số kim loại nguyên chất gần không độ tuyệt đối, nhà khoa học tin tượng electron làm biến dạng mạng kim loại sau electron chảy tự do, chế phác thảo thành gọi lí thuyết Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) Tuy nhiên, vào năm 1986, nhà vật lí phát siêu dẫn tồn số hợp chất định, bao gồm cuprate, nhiệt độ cao nhiều 30 K cao Sự khám phá tượng siêu dẫn nhiệt độ cao khơi ngòi nhiều hứng thú ban đầu đề xuất rằng, mở rộng lên tới nhiệt độ phòng, đưa đến ứng dụng lạ đoàn tàu bay đường cáp điện hiệu Tuy nhiên, 20 năm qua, công nghệ đầy hứng thú không vật chất hóa nhà vật lí kĩ sư phải vật lộn với việc tìm hiểu chế ẩn đằng sau tượng Nay, Logvenov cộng vừa tiến hành thí nghiệm giúp lái nhà lí thuyết vào hướng Họ chế tạo màng “hai lớp” với lớp kim loại cuprate lớp cách điện cuprate, sử dụng kĩ thuật gọi mọc ghép chùm phân tử Sự siêu dẫn lớp đôi có xu hướng rõ ràng tiếp giáp lớp, nên nhà nghiên cứu cô lập nơi hiệu ứng xảy cách thận trọng pha tạp mặt phẳng nguyên tử bên lớp với kẽm, chất liệu triệt tiêu siêu dẫn Các mặt phẳng tới hạn Các nhà nghiên cứu nhận thấy họ pha tạp toàn màng mỏng với kẽm, không siêu dẫn Tuy nhiên, họ pha tạp mặt phẳng định – đặc biệt mặt phẳng đồng oxide thứ hai tính từ tiếp giáp – họ nhận thấy nhiệt độ chuyển pha siêu dẫn giảm từ 32 K xuống 18 K Điều này, họ nói, chứng cho thấy mặt phẳng thiết yếu cho siêu dẫn nhiệt độ cao Elisabeth Nicol, nhà vật lí chất rắn trường Đại học Guelph, Canada, gọi nghiên cứu Brookhaven “một mảng công trình nghiên cứu khéo léo”, giải thích giúp nhà nghiên cứu chế tạo chất siêu dẫn hoạt động nhiệt độ cao “Nếu hiểu đâu nguồn gốc siêu dẫn nhiệt độ cao”, bà nói, “thì làm thao tác kĩ thuật nhiệt độ chuyển pha trở nên cao hơn” Khám phá có lợi ích thực tiễn trực tiếp Sự siêu dẫn điều khiển với điện trường, trường xuyên qua màng nanomet hay chừng thôi, khả tỏ khó thực hóa Nay Logvenov cộng nhận cách thức nhận dạng mặt phẳng tới hạn, nên kĩ sư dùng để chế tạo chất siêu dẫn nhiệt độ cao dùng cho nhiều dụng cụ điện tử đa dạng Nghiên cứu công bố tờ Science Lá sen giũ nước nào? Nhiều xanh không muốn nước dính vào vân nhám ráp chúng, chúng bắt không khí để tạo đệm không thấm nước Trong số trường hợp, có sức đẩy mạnh đến mức giọt nước bám dính lên đó; thay vào đó, chúng bật trở lăn Lá sen thí dụ chất liệu tự nhiên có tính “siêu kị nước” hai nhà nghiên cứu Mĩ đề xuất dao động tự nhiên nguyên nhân tượng Sự chuyển tiếp dao động từ trạng thái dính ướt sang trạng thái không dính ướt giọt chất lỏng gồm 90% nước tần số 80 Hz biên độ đỉnh-đỉnh 0,6mm (Ảnh: The American Physical Society) Nếu hiệu ứng bắt chước nhà khoa học vật liêu, đưa đến nhiều ứng dụng lạ “Các dao động có nơi, chúng có nơi bạn lại, chúng với quạt máy tính, chúng có xe bạn có máy bay”, Chuan-Hua Chen, nhà nghiên cứu trường Đại học Duke, Bắc Carolina, nói “Khi bạn biết cách khai thác phần lượng lãng phí từ dao động môi trường, bạn thu siêu kị nước” Một thời son trẻ hào hoa Trong vài ba thập niên trở lại đây, nhà nghiên cứu có nhiều thành công việc bắt chước bề mặt ráp nhám tự nhiên để sản xuất chất liệu không thấm nước Tuy nhiên, giới hạn quan trọng, bề mặt ráp nhám qua xử lí kĩ thuật không giữ tính kị nước nước ngưng tụ bề mặt ấy, mà cho nước rơi xuống đất dạng giọt Một số cấu trúc tự nhiên, ví dụ sen, không chịu hạn chế luôn giữ tính kị nước chúng Chen Jonathan Boreyko khẳng định họ tìm lời giải thích vật lí cho lợi tự nhiên Rõ ràng truyền cảm hứng từ kinh nghiệm thời thơ ấu, Chen nhớ lại sen thường đong đưa mạnh gió nhận thấy tượng kích cỡ lớn bất thường chúng đỡ cuống mỏng dài Ông nảy ý tưởng sen sử dụng dao động để giũ nước ngưng tụ mà không nước xuyên qua bề mặt ráp nhám chúng Để kiểm tra giả thuyết này, Chen người đồng nghiệp ông định nghiên cứu sen cách chi tiết phòng thí nghiệm kĩ thuật chụp ảnh hiển vi tốc độ cao Trước tiên, họ xác nhận chuyển động thật giữ vai trò quan trọng việc đặt cố định sen lạnh quan sát thấy tính siêu kị nước Trong cấu này, nước ngưng tụ dễ dàng xuyên vào hốc vân mặt lá, thay cho túi khí Bản nhạc hoa sen Thách thức lớn tái dựng xác đong đua lớn sen cấu phòng thí nghiệm Thật may cho Chen, Boreyko nhà thực nghiệm có trực giác tốt, ông luận tốc độ mà sen đong đưa gió thông số quan trọng trình Dưới ánh sáng này, nhà nghiên cứu nhận họ dễ dàng gắn với loa audio thay đổi tần số biên độ để bắt chước tác dụng gió Để quan sát chuyển tiếp trạng thái “dính ướt” sang trạng thái kị nước “không dính ướt”, nhà nghiên cứu đưa hỗn hợp gồm nước ethanol (thể tích 2:1) lên sen đặt phòng thí nghiệm nhiệt độ 21oC với độ ẩm tương đối 51% Khi ethanol bay hơi, kích thích cho nước ngưng tụ mặt Sau phút, 90% ethanol bay nhà nghiên cứu bật loa lên làm cho dao động Sử dụng camera video gắn kính hiển vi tầm xa, Chen Boreyko làm biến đổi dao động họ thu “sự giũ nước” hoàn toàn sen Tất giọt nước đưa vào hoàn toàn không ảnh hưởng đến bề mặt dao động tần số 80 Hz biên độ đỉnh-đỉnh 0,6 mm Trong trường hợp dao động yếu, giọt nước bề mặt lá; trường hợp dao động mạnh, phần dư dính ướt lại mặt Các nhà nghiên cứu Đại học Duke dự định phát triển nghiên cứu họ cách khảo sát phương pháp áp dụng kết cho ứng dụng thực tế ví dụ bề mặt tự làm sạch, không bám dính Một bề mặt siêu kị nước tốt giúp làm giảm kéo theo nhiều nơi ống ngưng tụ thân tàu thủy Nghiên cứu có mặt tờ Physical Review Letters Bí ẩn siêu giải? Một neutron có lẽ nằm tâm Cassiopeia (Ảnh: NASA/CXC/SAO) Khoảng 330 năm trước đây, nơi cách 11.000 năm ánh sáng, cỡ nặng chòm Cassiopeia phát nổ Sao siêu có lẽ ghi nhận John Flamsteed, nhà thiên văn học hoàng gia Anh, người quan sát “ngôi sao” chòm không tương ứng với biết đồ ngày Các tàn dư siêu trên, gọi Cassiopeia A, bí ẩn nhà thiên văn học Sao siêu thường để lại vật thể đậm đặc ví dụ lỗ đen neutron Nhưng hàng thập kỉ, người ta không thấy có vật thể tâm Cassiopeia A Năm 1999, Đài thiên văn tia X Chandra cuối nhận vật thể nhỏ Tuy nhiên, “cái mà nhìn thấy không tương ứng với nhà thiên văn nghĩ neutron phải trông thế”, theo lời Craig Heinke, nhà thiên văn vật lí trường Đại học Alberta Canada Các neutron thường có từ trường mạnh, xoay tròn làm cho chúng xuất dạng xung, vật thể nằm tâm Cassiopeia A cháy cách đều Hơn nữa, lượng tia X phát từ vật thể không khớp với nhà thiên văn trông đợi Nay Heinke người đồng nghiệp ông, Wynn Ho, trường Đại học Southampton, Anh, tin họ có tay lời giải thích cho vật thể bí ẩn Họ đề xuất Cassiopeia A thật có chứa neutron chôn liệm bầu khí cacbon Một bầu khí tế làm cho tàn dư chết dường phát ánh sáng màu xanh chói bước sóng quang học, giải thích lượng tia X bất thường mà nhà khoa học trông thấy Công trình nghiên cứu công bố số tuần tờ Nature Ảnh chụp qua Đài thiên văn tia X Chandra tàn dư siêu Cassiopeia A, với hình minh họa neutron có bầu khí cacbon tâm đám tàn dư (Ảnh: NASA/CXC/Southampton/W Ho; minh họa: NASA/CXC/M Weiss) Những nghiên cứu trước tia X phát Cassiopeia A cho thấy bán kính nhỏ nhiều so với trông đợi – giả sử có bầu khí hydrogen Heinke Ho cố gắng giải toán cách lập mô bầu khí helium, mô hình thất bại, không mang lại phù hợp có sức thuyết phục với phổ tia X biết Sau đó, nhà khoa học thử với cacbon mà không hi vọng nhiều thành công, họ phát thấy neutron với đường kính từ đến 17km bầu khí cacbon tạo xạ quan sát thấy “Mô hình mô cách hoàn hảo tạo bán kính ngưỡng thích hợp”, Heinke nhớ lại “Nó hoạt động tốt nhiều so với mong đợi chúng tôi” Kịch đề xuất neutron có nhiệt độ bề mặt 1.6 × 106 K, với bầu khí cacbon dày 10 cm bao quanh sát lấy Heinke nói xuất bất thường Cassiopeia A tuổi non trẻ Theo thời gian, ông nói, tích góp hydrogen helium, phát triển chuyển động quay tròn phát Điều làm cho xuất giống với neutron khác, già Ảnh minh họa neutron Cassiopeia A cho thấy quy mô nhỏ xíu bầu khí cacbon Khí Trái đất thể cỡ độ lớn neutron, khiến bầu khí cacbon dày 10 cm trông bé nhỏ (Ảnh: NASA/CXC/M Weiss) “Tôi nghĩ điều thật thú vị”, lời Harvey Tananbaum, giám đốc Trung tâm tia X Chanda Trung tâm Harvard Smithsonian dành cho thiên văn vật lí Cambridge, Massachusetts Tananbaum nói báo không mang lại chứng chối cãi ràng có neutron phủ cacbon nằm tâm Cassiopeia A, quan sát tiếp tục mang lại manh mối tốt chất vật thể Nhưng, ông bổ sung thêm, báo “có lẽ lời giải thích tốt cho diện kia” Tham khảo: Ho, W C G & Heinke, C O Nature 462, 71-73 (2009) Phương trình ‘vạn vật’ mô tả hành xử chất liệu thang bậc nano Việc tìm hiểu chất liệu hành xử thang bậc chiều dài nhỏ xíu quan trọng phát triển công nghệ nano tương lai tiếp tục thách thức lớn nhà vật lí lí thuyết thực nghiệm Nay nhà vật lí Viện Điện tử học, Vi điện tử học Công nghệ Nano (IEMN) Villeneuve d'Ascq, Pháp, vừa vay mượn vật lí kỉ 19 để tới phương trình “vạn vật” tiên đoán kích thước ảnh hưởng đến tính chất vật lí cấu trúc cỡ nanomet, chúng hành xử khác với vĩ mô chúng Các dây nano tạo nhà nghiên cứu Phòng thí nghiệm Ames NASA: Một phương trình Grégory Guisbiers phát triển giúp phát triển công nghệ dựa hạt nano giống (Ảnh: NASA) Tỉ số diện-tích-bề-mặt-trên-thể-tích cấu trúc tăng lên nhiều chế tạo nhỏ hiệu ứng bề mặt quan trọng dụng cụ nhỏ xíu “Phương trình liên hệ ảnh hưởng kích cỡ không với tỉ số diệntích-bề-mặt-trên-thể-tích mà có với chất nội hạt nano có mặt tính chất vật lí xem xét – nghĩa là, xem chúng fermion hay boson”, Grégory Guisbiers phát biểu với physicsworld.com Bốn nhiệt độ Guisbiers phát triển phương trình ông cách phân tích so sánh kích cỡ hạt nano ảnh hưởng đến nhiệt độ mà chúng nóng chảy, trở thành chất siêu dẫn trở thành chất sắt từ (nhiệt độ Curie) Ông xem xét nhiệt độ Debye, nhiệt độ liên quan đến cách thức dao động mạng dẫn nhiệt chất liệu Bốn nhiệt độ “đặc trưng” đại lượng vật lí then chốt cho chất liệu bốn có liên quan lẫn nhau: nhiệt độ nóng chảy tỉ lệ với nhiệt độ Curie, bình phương nhiệt độ Debye bình phương nhiệt độ siêu dẫn Phương trình (TX/TX,∞ = [1–αshape/D]S–1/2) dựa đường kính cấu trúc nano (D); thông số (αshape) liên quan đến tỉ số diện-tích-bề-mặt-trên-thể-tích; spin (S) hạt có mặt tính chất vật liệu xem xét S 1/2 tùy thuộc vào hạt fermion (các hạt có spin bán nguyên) hay boson (các hạt có spin nguyên) TX kí hiệu cho nhiệt độ nóng chảy, Debye, Curie siêu dẫn TX,∞ nhiệt độ mẩu chất liệu vĩ mô Phương trình tham số điều chỉnh hoạt động chất liệu, Guisbiers nói Nói chung, nhiệt độ đặc trưng giảm hạt trở nên nhỏ Sự nóng chảy sắt từ (tuân theo định luật thống kê Fermi–Dirac) khác với siêu dẫn dao động mạng (tuân theo thống kê Bose–Einstein) Sự khác biệt hành trạng chất liệu có liên quan mật thiết đến spin hạt tham gia: nóng chảy chuyển tiếp pha rắn-lỏng xảy liên kết liên phân tử bị phá vỡ nhiệt liên kết bị phá vỡ mang lại electron chưa ghép cặp, electron đặc trưng spin bán nguyên Sự sắt từ mômen từ tổng hợp xuất vắng mặt từ trường ngoài, xảy nhờ lớp vỏ electron điền đầy phần Một lần nữa, đặc trưng spin bán nguyên Đặt spin thích hợp lên Các dao động mạng mô tả phonon, mặt khác, có spin nguyên Sự siêu dẫn trạng thái electron dẫn tổ chức thành cặp electron, gọi cặp Cooper, đặc trưng spin nguyên Các tiên đoán thu từ phương trình phù hợp tốt với số liệu thực nghiệm hành trạng nóng chảy siêu dẫ hạt nano – silicon chì, chẳng hạn Lí thuyết phù hợp tốt với kết thực nghiệm sắt từ dao động mạng – chênh lệch chưa tới 10% “Đây giá trị chấp nhận mô hình đơn giản yêu cầu biết kích cỡ, hình dạng trạng thái spin hạt tham gia”, Guisbiers bổ sung thêm “Công trình cho thấy vật lí kỉ 19 mang lại kiến thức sâu sắc hữu ích cho công nghệ nano thuộc kỉ 21, tất điều thực với giấy bút chì – không cần siêu máy tính cả!” Công trình mô tả tập san Physics Letters A phòng Đội nghiên cứu bắt đầu cách cho lắng ba tiếp xúc ôxit cách điện lên miếng silicon, sau chồng lên tiếp xúc điện cực kim loại từ tính Kim loại bị từ hóa song song với bề mặt silicon dòng electron không đổi cho chạy khỏi điện cực, qua silicon vào điện cực thứ hai Điện trở silicon xác định cách điện áp điện cực thứ (nguồn) điện cực thứ ba Các electron điện cực từ bị phân cực, với đa số spin hướng theo chiều đặc biệt Một số phân cực bị đảo ngược electron chui hầm qua lớp ôxit vào silicon dẫn đến tích góp spin vùng bên điện cực nguồn (xem biểu đồ trên) Thay đổi điện trở Các electron fermion có xu hướng tránh xa spin chúng hướng chiều Điều có nghĩa điện trở lớp tiếp xúc tăng lên có nhiều electron phân cực tích góp silicon Tuy nhiên, thiết đặt từ trường vuông góc với hướng phân cực, spin tiến động xung quanh từ trường Hiện tượng làm giảm tích góp spin điện trở lớp tiếp xúc Jansen cộng quan sát hiệu ứng cách đo điện áp (và đó, điện trở) hai điện cực thay đổi cường độ trường đặt vào Sự thay đổi chung điện trở cho phép họ tính tích góp spin silicon – khoảng 5% nhiệt độ phòng Họ xác định thời gian sống trung bình spin silicon cách nghiên cứu hình dạng đường cong điện áp biến đổi theo trường đặt vào Trong silicon loại n, thời gian sống vào khoảng 140 ps, silicon loại p 270 ps Giá trị ngắn phép đo cộng hưởng spin electron (ESR), chúng cho biết thời gian sống vào khoảng ns nhiệt độ phòng silicon loại n Có đủ lâu? Tuy nhiên, thời gian sống vào khoảng 200 ps cho phép spin truyền vài trăm nanomet qua dụng cụ điện tử học spin trước phân hủy – Jansen nói nguyên tắc đủ để chế tạo mạch điện tử học spin vào cỡ hàng chục nanomet hoạt động tần số 10 – 100 GHz Ian Appelbaum thuộc trường Đại học Maryland mô tả thời gian sống ngắn “đáng thất vọng [nhưng] không hoàn toàn bất ngờ: kết pha tạp cao có mặt tiếp giáp” Appelbaum phát biểu với physicsworld.com rằng, việc đưa spin vào silicon nhiệt độ phòng quan trọng, nhà nghiên cứu không chứng tỏ spin truyền tải qua chất liệu – thứ hai quan trọng dụng cụ điện tử học spin thực tế Jansen đội ông có kế hoạch nghiên cứu truyền tải spin điện cực đồng thời nghiên cứu xem thời gian sống spin bị ảnh hưởng pha tạp, nhiệt độ tiếp giáp silicon kim loại từ tính 45 David Awschalom thuộc trường Đại học California Santa Barbara phát biểu cấu trúc Twente “giữ vai trò ‘phòng thí nghiệm spin’ người ta bắt đầu tối ưu hóa truyền tải spin electron điều khiển chất liệu này” Công trình công bố tờ Nature 46 Tia gamma lượng tính phát từ 'microquasar' Vật chất đánh cắp từ trẻ (màu xanh) hình thành nên đĩa (màu đỏ) xung quanh lỗ đen soa neutron hình minh họa hệ Cygnus X-3 Những chớp lửa mạnh phun trào từ đĩa (Minh họa: Walter Feimer/NASA Goddard Space Flight Center) Sau hàng thập niên tìm kiếm, nhà thiên văn vừa xác nhận tàn dư háu ăn phát sáng vùng tia X đồng thời tạo tia gamma lượng cao Nguồn lượng nhỏ xíu giữ vai trò phòng thí nghiệm gần dành cho nghiên cứu xem hạt bị gia tốc lỗ đen lớn vũ trụ Cygnus X-3, cặp vật thể nằm cách Trái đất 30.000 năm ánh sáng, từ lâu thách đố Người ta cho hệ ẩn chứa tàn dư đậm đặc – lỗ đen, neutron – ngoạm dần đĩa vật chất đánh cắp từ đồng hành Cặp đôi quay bên vòng 4,8 giờ, phát tia X gửi dòng vật chất, hay chớp lửa, hướng gần tốc độ ánh sáng Vì chớp lửa mà Cygnus X-3 đặt tên "microquasar", giống quasar, lỗ đen siêu trọng rực lửa nằm tâm số thiên hà Sự ý dành cho Cygnus X-3 tăng lên kể từ chớp lửa lần phát kính thiên văn vô tuyến vào năm 1972 Trong thập niên sau đó, nhà thiên văn tìm dấu hiệu cho thấy tia gamma – photon lượng cao vũ trụ - phát từ Cygnus X-3 với lượng cao cỡ hàng nghìn tỉ hay chí hàng triệu tỉ electronvolt (eV) Nhưng tìm kiếm không dứt khoát, phần chớp lửa, xảy năm hay chừng thời gian, tiên đoán trước Cho đến nay, chẳng tìm thấy tia gamma phát từ Cygnus X-3 có lượng cao 300.000 eV, tia gamma có lượng tính cao tia X lượng cao chút, theo lời Marco Tavani thuộc Viện Vật lí Vũ trụ Thiên vũ trụ Vật lí Vũ trụ Rome, Italy “Người ta khẳng định phát phát xạ lượng cao từ Cygnus X-3 nhiều dịp, báo cáo chưa xác nhận”, Tavani phát biểu với New Scientist “Trong nhiều năm, người ta nghĩ thuộc loại vật thể ma quái” 47 Cygnus X-3 (vòng tròn), vật thể chứa trẻ quay xung quanh lỗ đen neutron, phát tia gamma lượng cao (Ảnh: NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration) Các hạt bị gia tốc Giờ hai kính thiên văn quỹ đạo, kính thiên văn AGULE Cơ quan Không gian Italy kính thiên văn vũ trụ tia gamma Fermi NASA, vừa phát tia gamma phát sinh từ Cygnus X-3, với lượng cao chừng 1000 lần so với phép đo trước Không rõ photon lượng cao nào, Tavani nói Tia gamma phát sinh hạt tích điện bị gia tốc từ trường mạnh xung quanh tàn dư Chúng tạo electron truyền gần tốc độ ánh sáng va chạm với dòng ánh sáng phát từ đồng hành Những tia gamma phải vượt qua trở ngại đáng kể để thoát khỏi Cygnus X-3 tới kính thiên văn quỹ đạo xung quanh Trái đất Đó hệ bọc đám mây dày gồm hạt tích điện ngoạm lấy từ đồng hành, hạt làm tán xạ photon Tia gamma bị dừng lại hành trình chúng chúng va chạm với photon khác để tạo cặp electron phản hạt chúng Những quasar, nhỏ Mặc dù nguồn gốc tia gamma nghiên cứu, khám phá chúng cho thấy hành trạng rực lửa Cygnus X-3 tương đương tốt với hành trạng quasar loại thiên hà rực rỡ khác gọi “nhân thiên hà hoạt động” (AGN) so với trước người ta nghĩ “Cái cần hàng triệu năm để xảy AGN xảy vài tháng microquasar”, theo lời Stéphane Corbel thuộc trường Đại học Denis Diderot, Paris, CEA Saclay, Pháp, thành viên đội Fermi “Nó cánh cửa hướng tới việc thử xác định xảy dòng chất phun vọt hệ lỗ đen này”, theo lời Tod Strohmayer thuộc Trung tâm Bay 48 Vũ trụ Goddard NASA Greenbelt, Maryland, người tham gia nghiên cứu Tham khảo: Nature, DOI: 10.1038/nature08578, Science, DOI: 10.1126/science1182174 49 Các lực vật lí tác dụng hợp chất sinh học Ảnh chụp sợi agarose đơn tinh thể calcite thu kĩ thuật xạ quang STEM (Ảnh: Lara Estroff) Một nghiên cứu hiển vi học điện tử nhà nghiên cứu Mĩ thực mang lại nhìn sâu sắc vào cấu trúc lớp vỏ, gai sống vật liệu sinh học khác dạng kết tinh tự nhiên Đội nghiên cứu khảo sát cách thức chuỗi polymer định sáp nhập vào đơn tinh thể calcite nhận thấy trình liên quan đến tương tác vật lí chất liệu, thay phản ứng hóa học 50 Những cấu trúc đơn tinh thể phổ biến cách bất ngờ sinh vật sống Mỗi gai nhím biển, chẳng hạn, đơn tinh thể calcite Tuy nhiên, gai có hình dạng khác với tinh thể calcite lớn lên phòng thí nghiệm – thường dai linh hoạt Việc tìm hiểu làm vật liệu sinh học hình thành dẫn đến loại vật liệu nhân tạo Trong nhà khoa học biết tính chất calcite bị biến đổi có mặt phân tử hữu bên mạng tinh thể, công việc tỏ khó khăn thu ảnh chụp hiển vi điện tử lớp tiếp giáp calcite phân tử hữu Những ảnh chụp quan trọng việc tìm hiểu chất chất liệu composite (hỗn hợp nhiều chất) Vấn đề electron khảo sát vùng gần bề mặt mẫu vật, nơi tiếp giáp khác so với tiếp giáp bên khối tinh thể Agarose hydrogel Nay Lara Estroff cộng trường Đại học Cornell vừa phát triển kĩ thuật dùng cho nghiên cứu tiếp giáp Họ bắt đầu việc nuôi tinh thể calcite hydrogel chứa agarose – polymer tìm thấy tảo biển biết sáp nhập vào calcite Đội nghiên cứu sử dụng chùm ion cẩn thận khắc cột hình nêm mỏng từ tinh thể – làm phơi khối tinh thể Sau đó, cột đưa vào kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) loạt ảnh chụp đoạn cột dày khoảng 300 nm Các ảnh chụp cột quay khoảng 2o xung quanh vòng 140o Sử dụng kĩ thuật xạ quang máy tính, đội nghiên cứu dựng lên ảnh 3D tinh thể cho thấy xác vị trí chuỗi agarose Dữ liệu nhiễu xạ electron từ cột xác nhận đơn tinh thể - cho phép đội nghiên cứu xác định định hướng mặt phẳng tinh thể với chuỗi agarose Các mặt lượng cao Đội nghiên cứu nhận thấy chuỗi polymer nằm gần mặt tinh thể ‘năng lượng cao’ không trông thấy bề mặt tinh thể tinh khiết Estroff phát biểu với physicsworld.com agarose biết tương tác yếu với calcite, khả tương tác hóa học có liên quan với “sự ổn định hóa” mặt lượng cao Thay vào đó, bà tin ổn định hóa có liên quan đến cách thức chuỗi bị bắt tinh thể tăng trưởng co duỗi đẩy lại vật chất xung quanh Đội nghiên cứu áp dụng kĩ thuật để nghiên cứu chất liệu sinh học Nghiên cứu mô tả tờ Science 51 Cá truyền cảm hứng cho nhà máy điện gió Một dàn trận tuabin đứng Windspire nhà máy điện Mariah Mĩ thực hiện: Robert Whittlesey John Dabiri tin họ cách tốt xếp tuabin (Ảnh: Devon Bank) Những tuabin gió hoạt động tốt đặt xa lốc xoáy phá hoại tuabin lân cận tốt Tuy nhiên, hai nhà khoa học Mĩ vừa chứng minh hiệu suất loại tuabin khác thật cải thiện đặt chúng gần nhau, họ kết luận cánh đồng gió triển khai quy mô nhỏ nhiều so với Tuabin kiểu cánh quạt quen thuộc với trục quay nằm ngang biến đổi 50% nhiều lượng từ gió mà hứng lấy Tuy nhiên, cánh đồng gió, luồng thổi từ tuabin làm nhiễu loạn không khí đến cánh quạt tuabin lân cận, nghĩa tuabin phải đặt xa Thông thường, để đảm bảo phát khoảng 90% lượng mà có cô lập, tuabin phải đặt cách láng giềng gần khoảng ba lần đường kính rotor cách láng giềng 52 khoảng 10 lần đường kính rotor Với rotor có đường kính 100 m, số thứ hai vừa nói lên tới km – khoảng cách đáng kể Một họ hàng tuabin quen thuộc có trục quay thẳng đứng Nó gồm số loại khác nhau, có loại sử dụng lực kéo theo để đẩy dụng cụ quay tròn loại khác sử dụng cánh máy bay để tạo lực nâng Xét riêng một, tuabin trục đứng hiệu so với dụng cụ trục ngang phần tuabin bị gió đẩy lần, chúng tỏ phổ biến Tuy nhiên, tuabin có tiện lợi đáng kể so với kiểu trục ngang – công suất chúng tăng thêm đặt chúng gần Loài cá tiết kiệm lượng Nay Robert Whittlesey John Dabiri thuộc Viện Công nghệ California vừa cách tốt xếp tuabin đặt gần cách dẫn công trình người kĩ sư hàng không Daniel Weihs, người chứng tỏ vào thập niên 1970 loài cá tiết kiệm lượng cách bơi bên bể Loài cá hình thành loạt dải xoáy nước, Weihs nhận thấy cá mang tới trước xoáy nước tạo chuyển động bơi hai đồng hành gần chúng hàng phía trước chúng Whittlesey Dabiri nghi vấn khoảng cách tương đối xoáy nước tạo cá giữ vai trò khuôn mẫu tốt cho xếp tuabin trục đứng cánh đồng gió họ thiết lập mô máy tính để kiểm tra ý tưởng Các nhà nghiên cứu đo tốc độ gió phép đo khác từ tuabin trục đứng sau đưa liệu vào mô phỏng, họ phân tích xếp khác tuabin trục đứng để xem có cách số dẫn đến chuyển động quay trung bình lớn so với xếp tuabin giá đỡ Cái họ tìm thấy cột so le tuabin chiều ngược chiều kim đồng hồ xen kẽ làm tăng đáng kể tốc độ chuyển động quay tuabin Nguyên do, theo họ, có mặt tuabin láng giềng làm tập trung tăng tốc độ gió Công suất lớn Whittlesey Dabiri nhận thấy tuabin trục đứng xếp theo kiểu tạo công suất đơn vị diện tích lớn 100 lần so với cánh đồng gió trục ngang Whittlesey kết làm cho lượng gió hấp dẫn quốc gia có nhiều gió bị hạn chế không gian đảo quốc Anh Nhật Bản, hạ thấp cho phí hạ tầng liên quan đến việc kết nối tuabin, không rõ chi phí tổng cộng có rẻ hay không, biết phải cần đến số lượng tuabin cá lẻ nhiều Cho đến nay, đội nghiên cứu chưa kiểm tra lí thuyết họ cách đo công suất từ cấu hình xếp khác tuabin thực tế cánh đồng Whittlesey nói họ dự định tiến hành phép đo tương lai gần Nghiên cứu trình bày họp thường niên Phân viện Động lực học Chất lưu thuộc Hội Vật lí Hoa Kì, tổ chức Minneapolis, từ 22 đến 24/11 53 Những ảnh chất lưu chuyển động Trong tuần này, nhà vật lí họp Phân viện Động lực học Chất lưu Minneapolis, Minnesota, trưng bày ảnh thực nghiệm tốt họ “gallery chuyển động chất lưu” Các xoáy không khí thường hình thành xung quanh đầu cánh máy bay chuyển động ảnh hưởng đến chuyển động máy bay máy bay gần mặt đất Tính phức tạp dòng chảy minh họa ảnh này, tạo cánh quay tròn chất nhuộm huỳnh quang rọi sáng toàn cấu ánh sáng laser Ngoài xoáy (màu đỏ), xoáy thứ cấp (màu xanh lá) tạo tương tác dòng chảy với mặt đất (Ảnh: Harris, Miller & Williamson) 54 Phản bọt giọt chất lỏng bao quanh lớp mỏng không khí lơ lửng chất lỏng Chúng tạo chất lỏng chảy xoáy vào nhau, tính chất vật lí chúng chưa nghiên cứu rõ Không giống bọt không khí chất lỏng, phản bọt chìm xuống chúng có xu hướng không bền Thí nghiệm sử dụng xoáy nước bình chứa nước xà phòng để khảo sát xảy phản bọt bị kéo căng bị xước xoáy nước Một vài phản bọt (viền đen) vẽ nên xoáy nước (Ảnh: Jens Kasten/Christoph Petz/Ingrid Hotz/Gilead Tadmor/Bernd R Noack/Hans-Christian Hege) Nước sốt cà chua nấm cho vào gelatin thí nghiệm cho thấy cấu trúc địa chất kiểu gọi mương rãnh tạo lớp vỏ Trái đất phun trào mắc-ma Ở đây, áp suất nước sốt cà chua tăng lên hình thành nên vết nứt gelatin Nước sốt chiếm đầy chỗ gãy nứt, tiếp tục dâng lên theo phương thẳng đứng, cuối chạm tới bề mặt (Ảnh: Laboratorio de Mecánica Multiescalar de Geosistemas (LAMMG)/CGEO/UNAM) 55 Cái nấm hình thù kì lạ ảnh tiếp giáp không bền hai chất lỏng không trộn lẫn – nước (lớp trên) chất lỏng đặc gọi hydrofluoroether (lớp dưới) Cấu trúc hình thành sau dùng xung laser ngắn làm bốc nước, tạo bọt khí phía tiếp giáp hai chất lỏng Khi bọt đặc trở lại thành chất lỏng co lại, phần lại bọt đổ vào chất lỏng nặng Một dòng hydrofluoroether phản xạ bắn trở lại vào nước tạo hình dạng “Chóp mũ” đỉnh hình tạo hydrofluoroether Cuối vỡ tan chìm trở xuống bình chứa chất lỏng, tiếp giáp phẳng phục hồi (Ảnh: Cavitation Lab/School of Physical and Mathematical Sciences (SPMS)/Nanyang Technological University) Sự nhớt, cản trở chất lỏng dòng chảy, giữ vai trò quan trọng cách thức chất lỏng cho trước bắn tóe Dầu silicon – cấu tạo từ chuỗi nguyên tử silicon, na ná hợp chất hữu cấu thành từ nguyên tử carbon – nhớt nước khoảng 10 lần Khi giọt dầu silicon rơi trúng bề mặt thủy tinh khô, trải thành mỏng trước bắn tóe kiểu xúc tu (vành bên ngoài) hình thành Ngược lại, chất lỏng độ nhớt thấp bắn tóe tức thời tức thời chạm trúng bề mặt Tuy nhiên, khác biệt biến áp suất không khí thấp, bắn tóe hoàn toàn triệt tiêu hai loại chất lỏng Hình chụp áp suất khí quyển, áp suất giảm phần năm mức đó, giọt chất lỏng trải đặn êm dịu chúng chạm trúng bề mặt thủy tinh (Ảnh: M M Driscoll and S R Nagel/University of Chicago) 56 Loài cua ẩn cư có lớp mai có khả bị đánh bật nước chảy Hình dạng mai yếu tố quan trọng chọn lựa này, hình dạng khác tạo kéo theo nhiều nước chuyển động Ở đây, kĩ thuật gọi tốc kế ảnh hạt dùng để hình dung dòng chất lỏng xung quanh mai Các hạt đánh dấu nhỏ lơ lửng chất lỏng chụp ảnh với tốc độ chất lỏng chuẩn Phân tích ảnh cho thấy mai gồ ghề có kéo theo chất lỏng di chuyển nhanh Nhưng mai nhẵn tốt dòng chất lỏng chảy chậm (Ảnh: Barbara Casillas Thesis/UNAM) 57 Đặc điểm hình chai rượu ảnh giọt dầu rơi vào bình chứa đầy rượu cồn isopropyl Dầu đậm đặc cồn, nên rơi xuống phía dưới, hòa tan cồn, nên cuối bị tan Chuyển động nó, nhớt khuếch tán cồn tạo hình dạng đáy (Ảnh: R R La Foy/J Belden/ A M Shih/T T Truscott/A H Techet) Nước chảy mặt đại dương chắp nối hệ tương kết Việc tách mẫu dòng chảy khỏi mớ hỗn tạp minh họa cho cách thức nước đại dương hòa trộn, đặc điểm quan trọng mô hình khí hậu Tính phức tạp dòng chảy minh họa phân tích liệu vệ tinh dòng biển Kuroshio, dòng hải lưu mạnh thứ hai giới sau Gulf Stream Ở đây, nước chuyển động nhanh (màu đỏ) hình thành nên cấu trúc hình học gợi lên vòng thòng lọng vạch hệ hỗn độn (Ảnh: Carolina Mendoza & Ana M Mancho) 58 Một xung laser đơn sử dụng để tạo ma trận gồm 25 bọt màng chất lỏng mỏng nằm kính hiển vi Khi ảnh chụp lúc micro giây sau xung laser, bọt phía ma trận co lại áp suất chất lỏng xung quanh, bọt che chắn tạm thời nhờ lân cận chúng Hình có bề rộng chưa tới 0,2 mm (Ảnh: Cavitation lab/SPMS/Nanyang Technological University) Nước bắn vào không khí “dòng suối siêu âm” này, tạo tập trung âm tần số cao thể tích nước nhỏ nằm bên mặt nước Sóng âm mang lại giọt áp suất lớn chúng truyền qua nước, làm cho số vùng trở nên khuếch tán mạnh đến mức nước chuyển từ thể lỏng sang Những bọt này, dòng chất lỏng điều khiển dao động âm, kết hợp lại tạo mạch phun nước micro (Ảnh: Cornell University) 59 [...]... 1916 2009 Vitaly Ginzburg năm 2003 (Ảnh: Maria S Aksenteva) Vitaly Ginzburg, một trong những nhà vật lí lí thuyết lỗi lạc nhất của thế kỉ 20, vừa qua đời vào hôm chủ nhật, 8 tháng 11, ở tuổi 93 Ginzburg đã cùng nhận giải Nobel Vật lí năm 2003 với Alexei Abrikosov và Tony Leggett cho công trình của họ về lí thuyết của các chất siêu dẫn và siêu chảy Ông đã lâm bệnh một thời gian và đã nằm viện từ hôm 5 tháng. .. khỏi đội chế tạo bom H vì những lí do ông chưa bao giờ được rõ Mặc dù Ginzburg đã khởi đầu với tư cách một nhà vật lí thực nghiệm trong lĩnh vực quang học, nhưng ông nhanh chóng nhận ra những năng khiếu của ông là một lí thuyết và đã tham gia nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực vật lí và thiên văn vật lí khác nhau Năm 1950, chẳng hạn, ông đã phát triển cùng với Lev Landau một lí thuyết một phần hiện tượng... cao dựa trên sự kết tinh Sự kết tinh thường bắt đầu với sự hình thành của những đám kết tinh kích cỡ nano mét gọi là nhân kết tinh, chúng lớn dần về kích cỡ cho đến khi bao quát toàn bộ khối chất liệu Lí thuyết cổ điển của nhân kết tinh giả sử rằng những cụm nhỏ xíu ấy hình thành và vỡ ra đều đặn, và chỉ chỉ khi chúng đạt tới một kích cỡ tới hạn thì chúng mới có thể kích hoạt sự kết tinh hàng loạt Mặc... nhà vật lí đã phải vật lộn trước việc tạo ra ngay cả những máy tính lượng tử đơn giản nhất vì bản chất mong manh của các bit lượng tử hay qubit – khiến chúng rất khó truyền tải, lưu trữ và xử lí Hồi đầu năm nay, các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Hoa Kì (NIST) ở Colorado đã tiến lộ một bộ vi xử lí sử dụng hai ion beryllium làm một cặp qubit – mỗi ion có thể lưu trữ thông tin. .. ông bắt đầu cảm thấy yêu thích bộ môn vật lí, được truyền nhiệt huyết từ những quyển sách thường thức khoa học như quyển Vật lí trong Cuộc sống hàng ngày của nhà vật lí người Nga Orest Danilovich Ginzburg vào trường Đại học Moscow năm 1933, tốt nghiệp 5 năm sau đó với bằng cấp về vật lí học Sau đó, ông bắt đầu nghiên cứu tiến sĩ, hoàn thành vào năm 1940, chỉ mất 2 năm thay vì 3 năm như thường lệ Ginzburg... liệu khác – và vì nhân kết tinh và sự kết tinh là những quá trình then chốt trong tự nhiên, cho nên họ hi vọng mở rộng nghiên cứu sang kiểm tra thực nghiệm những tiên đoán lí thuyết khác đã có lâu nay trong ngành khoa học nhân kết tinh Công trình được mô tả trên tờ Science 22 Bộ vi xử lí lượng tử thực hiện 160 toán tử khác nhau David Hanneke tại NIST trình diễn bộ vi xử lí có thể lập trình phổ thông... này cả”, ông nói, “nhưng chúng tôi đang ở trong vị thế kiểm tra toàn bộ những lí thuyết khác nhau này và xem lí thuyết nào hoạt động tốt nhất” Nhìn xa khỏi liệu pháp ung thư, Flippo tin rằng các nguồn proton như thế còn có thể dùng để tạo ra các đồng vị y khoa và dùng để phát ra neutron cho nghiên cứu trong ngành vật lí vật chất hóa đặc và những lĩnh vực khoa học khác Chúng cũng có thể dùng để tìm... so với vật lí cổ điển cho phép, cái có thể khai thác trong nhiều ứng dụng đa dạng, ví dụ như việc truyền tải song song khối lượng lớn thông tin đã mã hóa lượng tử một cách an toàn Các chương trình hoạt động khoảng 79% thời gian, trung bình hơn 900 lần chạy Con số này sẽ phải tăng thêm nhiều, gần tới 100% trước khi nó có thể được sử dụng trong một máy tính lượng tử thực tế Ngoài ra, các nhà vật lí sẽ... những hệ sao đôi (Science 10 .112 6/science .117 9679) 31 Khi Năm Thiên văn quốc tế (IYA2009) sắp kết thúc, những người tổ chức hẳn phải vui mừng trước sự thu hút to lớn hơn 12 tháng qua đối với một lĩnh vực đã khai sinh từ thời Galileo hướng thiết bị thô sơ đầu tiên của ông lên Mặt trăng cách nay 400 năm 32 Các hạt nano chìm hoặc bơi trong chất thải Giản đồ của một thiết bị xử lí chất thải: các kết quả tán... nhiều năm để chế tạo thiết bị mới, như các nhà thực nghiệm thường hay làm Nói tóm lại, tôi nghĩ thành tựu lớn nhất của tôi về vật lí học là liên quan đến lí thuyết siêu dẫn” Trung thành với chủ nghĩa vô thần Năm 1971, sau khi Tamm qua đời, Ginzburg được bổ nhiệm là trưởng khoa lí thuyết tại Lebedev trước khi nghỉ hưu chính thức vào năm 1988, mặc dù ông vẫn tiếp tục có những buổi seminar nổi tiếng hàng ... lớn nhà vật lí lí thuyết thực nghiệm Nay nhà vật lí Viện Điện tử học, Vi điện tử học Công nghệ Nano (IEMN) Villeneuve d'Ascq, Pháp, vừa vay mượn vật lí kỉ 19 để tới phương trình “vạn vật tiên... 1916 2009 Vitaly Ginzburg năm 2003 (Ảnh: Maria S Aksenteva) Vitaly Ginzburg, nhà vật lí lí thuyết lỗi lạc kỉ 20, vừa qua đời vào hôm chủ nhật, tháng 11, tuổi 93 Ginzburg nhận giải Nobel Vật lí. .. H lí ông chưa rõ Mặc dù Ginzburg khởi đầu với tư cách nhà vật lí thực nghiệm lĩnh vực quang học, ông nhanh chóng nhận khiếu ông lí thuyết tham gia nghiên cứu nhiều lĩnh vực vật lí thiên văn vật