Trong Vật Lý lượng tử có tồn tại một hiệu ứng tạo ra những “đường hầm” giúp mọi vật thể bứt phá giới hạn của Vật Lý cổ điển để di chuyển đến những vị trí không tưởng. Đó chính là hiệu ứng “Quantum Tunneling”.
“Quantum Tunneling” hay “Xuyên hầm lượng tử” là một hiệu ứng lượng tử mô tả sự chuyển dịch của hệ vật chất từ trạng thái này sang trạng thái khác mà thông thường bị ngăn cấm bởi các quy luật vật lý cổ điển.
Để giải thích về hiệu ứng này, chúng ta cần phải đi qua một thí nghiệm giả định như sau:
Giả sử như bạn có một quả banh và trước mặt là một ngọn đồi cao nghi ngút và mục tiêu lúc này đó chính là phải đưa quả bóng đi qua phía bên kia ngọn đồi nhưng chỉ được tác động một lực tức thời lên quả banh. Nhưng vì ngọn đồi quá ư là cao nên dù cho có là The Rock cũng không thể nào cung cấp được một lực cơ học đủ lớn để có thể vượt qua được rào cản thế năng quá lớn từ độ cao của đỉnh đồi. Vậy nên kết quả là dù bạn có cố gắng thế nào đi nữa cũng không thể hoàn thành mục tiêu được đề ra.
Nhưng liệu có đúng là không có khả năng như vậy??? Thực ra trong Vật Lý, điều này hoàn toàn có khả năng xảy ra. Qua hàng ti tỉ số lần thử sút quả bóng thật mạnh thì lỡ đâu có một lần mà quả bóng tự động đi xuyên qua “hàng rào năng lượng”, giống như hệ này đã đào một “đường hầm” để có thể qua được vị trí phía sau núi và đây chính là hiệu ứng Quantum Tunneling như đã đề cập ở đầu bài viết.
Đi sâu vào thí nghiệm trên một chút, trên thực tế, để nói về các hiện tượng lượng tử, vật chất thường được miêu tả là các sóng. Một sóng thể hiện những tiên đoán về vị trí của các hạt bởi vì theo “Nguyên lý bất định của Heisenberg – Heisenberg Uncertainty Principle”, ta không bao giờ có thể xác định chính xác cả vị trí lẫn vận tốc (hay động lượng, hoặc xung lượng) của một hạt vào cùng một lúc. Nếu ta biết một đại lượng càng chính xác thì ta biết đại lượng kia càng kém chính xác. Đây hoàn toàn không phải do sự thiếu sót của công nghệ loài người mà đơn giản chỉ là giới hạn của chính chúng ta trong Vũ trụ này mà thôi. Mặc dù vậy, nhờ vào kiến thức và vô vàn những quan sát, các nhà khoa học có thể quy định được các sóng thể hiện những vị trí “có thể” của các hạt vật chất.
Quay lại vấn đề chính, vì lý do trên nên thay vì liên tưởng đến các quả banh cố gắng đi qua ngọn đồi thì bây giờ hãy cố gắng tưởng tượng đến những sóng va đập vào một bờ tường và cũng như trong thí nghiệm, các sóng vẫn không đủ năng lượng để vượt qua bờ tường nhưng trong hằng hà sa số các lần va đập đó, sẽ có một số rất ít các sóng vượt qua được vật cản và hoàn thành mục tiêu ban đầu và chúng được gọi là các “Evanescent wave” tức những sóng xuất hiện nhưng biến mất quá nhanh. Đây cũng chính là lí do gây ra sự thất thoát điện tử trong các vi mạch tích hợp trong điện tử học, tiêu tốn điện năng và tỏa nhiệt cản trở việc tính toán tốc độ cao nhưng chúng ta lại khó quan sát được vì sự thất thoát này “biến mất” trong tích tắc.
Hiện tượng này đã được thí nghiệm trong thực tế, cụ thể đó chính là trong các “Total Internal Reflection” tức phản xạ toàn phần khi chiếu tia sáng đi qua hai môi trường có dung môi khác nhau, thông thường ánh sáng sẽ bị bẻ gập (khúc xạ) và phản xạ cùng một lúc nhưng với một góc nhất định nào đó, nó sẽ phản xạ hoàn toàn tia sáng đi qua.
Mặc dù đã phản xạ toàn phần nhưng khi sử dụng một thấu kính khác đặt vào bề mặt phân cách của hai môi trường, chúng ta thấy được nó vẫn tiếp tục khúc xạ, hiện tượng này được gọi là “Frustrated Total Internal Reflection”.
Các bạn có thể theo dõi thí nghiệm qua đường link sau đây: https://www.youtube.com/watch?v=aC-4iSD2aRA
Có lẽ dù có sống cả đời bạn cũng không thể nào nhìn thấy hiện tượng này dù chỉ một lần ở cuộc sống đời thường nhưng hiểu biết về Quantum Tunneling đã giúp chúng ta rất nhiều trong việc tìm hiểu về các hiện tượng trong vũ trụ như những phản ứng hợp hạch bên trong các ngôi sao,…. hay để tính toán những thất hoát điện tử trong đồ dùng công nghệ hiện đại.
Ứng dụng quan trọng của hiệu ứng là trong kính hiển vi quét chui hầm, cho phép quan sát các bề mặt dẫn điện ở kích thước nanomet, một kích thước quá nhỏ so với kính hiển vi quang học sử dụng ánh sáng ở bước sóng cỡ micromet. Dòng điện thu được do điện tử “chui hầm lượng tử” từ bề mặt cần quan sát sang đầu đọc cho biết mức năng lượng của hàng rào và do đó mức độ lồi lõm của bề mặt.
Nguồn: Bài viết được thực hiện bởi đội ngũ Science Realm.
Để lại bình luận