Giải Nobel Vật lí 2010
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (338.22 KB, 10 trang )
Giải Nobel Vật lý 2010
Cao Chi
Ngày 5/10/2010 Hàn lâm viện Khoa học Hoàng gia Thụy điển đã thông báo
trao giải Nobel Vật lý 2010 cho hai nhà khoa học (từ trái sang phải): Andre
Geim, sinh năm 1958 tại Sochi, Nga, PhD 1987 tại Viện Chất rắn, Hàn lâm
khoa học Nga, Đại học Manchester, Anh; Konstantin Novoselov, sinh năm
1974 tại Nizhny Tagil, Nga, PhD 2004 tại Đại học Radboud, Hà lan, Đại
học Manchester, Anh, vì những thí nghiệm đột phá về vật liệu 2 chiều
graphene [1].
Số tiền thưởng của giải là 10 triệu SEK -krona Thụy Điển, khoảng 1.500.000
USD, chia đều cho hai người. Cả hai nhà vật lý này đều bắt đầu con đường
học vấn và sự nghiệp khoa học ở Nga và hiện nay là giáo sư tại Đại học
Manchester, Anh. Một chi tiết lý thú là năm 2000 Andre Geim đã được giải
IgNobel vì con ếch bay trong từ trường (levitating the frog).
1. Graphene là gì ?
Các vật liệu tinh thể hai chiều (2D) hiện nay được nghiên cứu nhiều. Một
trong số đó là graphene, một lớp nguyên tử đơn carbon (hình 1). Vật liệu
mới này có những tính chất quan trọng đối với các nghiên cứu cơ bản cũng
như đối với những ứng dụng kỳ diệu trong tương lại.
Hình 1. Graphene. Đây là một mạng 2D hoàn hảo chỉ dày
bằng một nguyên tử. Mạng này gồm những nguyên tử carbon
nối liền với nhau theo những hình lục giác.
Sau đây là một số đặc trưng cơ, nhiệt, điện của graphene:
a. Mật độ của graphene: 0,77 mg/m2, như vậy một cái võng 1m2 làm bằng
graphene chỉ có trọng lượng bằng 0,77 mg,
b. Graphene gần như trong suốt,
c. Graphene bền hơn thép 100 lần lại dễ kéo dài, uốn cong,
d. Độ dẫn điện của graphene lớn hơn đồng (0,96.106.W-1cm-1 so với
0,60.106.W-1cm-1),
e. Độ dẫn nhiệt của graphene 10 lần lớn hơn đồng.
Hai nhà khoa học Andre K.Geim và Konstantin S.Novoselov đã thành công
trong các thí nghiệm chế tạo, bóc tách riêng lớp 2D graphene, và xác định
những tính chất quan trọng của graphene.
2. Các dạng khác nhau của carbon
Như chúng ta biết carbon là nguyên tố cơ sở của DNA và mọi tổ chức của sự
sống trên trái đất. Carbon có thể tồn tại dưới nhiều dạng. Dạng thông thường
nhất là graphite là những tờ carbon liên kết. Dưới áp suất lớn kim cương sẽ
hình thành từ carbon.
Một dạng mới của phân tử carbon là fullerene, thông thường nhất là C60
gồm 60 nguyên tử carbon trong dạng một quả bóng làm bằng 20 hình tám
cạnh và 12 hình năm cạnh, cấu hình này cho phép một diện tích trở thành
một mặt hình cầu. Các tác giả (R. F. Curl, Jr., R. E. Smally, and H. W. Kroto
) phát hiện fullerene được tặng giải Nobel Hóa học năm 1996.
Một dạng khác gần như một chiều (quasi-one-dimensional) là ống nano
carbon. Chúng được cấu thành từ những tờ graphene cuốn tròn thành dạng
ống với các đầu có dạng bán hình cầu. Các tính chất điện tử và cơ học của
ống nano có nhiều điểm tương đồng với graphene.
Như chúng ta biết graphite gồm nhiều tờ carbon chồng lên nhau, song người
ta cho rằng không thể bóc từng tờ riêng ra được. Do đó, cộng đồng vật lý
thế giới đã vô cùng ngạc nhiên khi Konstantin Novoselov và Andrei Geim
cùng cộng sự đã chứng minh rằng các lớp đơn có thể bóc riêng ra được và
các lớp đó là bền. Một lớp đơn như vậy chính là graphene (hình 2).
Hình 2. Các phân tử fullerene C60, các ống nano carbon và
graphite đều được cấu thành từ các tờ graphene.
3. Giải năng lượng
Graphene như vậy là một lớp đơn carbon có cấu trúc mạng như mạng lục
giác tổ ong với khoảng cách carbon-carbon là 0,142 nm. Đây là một vật liệu
tinh thể 2D (hai chiều) quan trọng.
Các tính toán về cấu trúc giải năng lượng của graphene đã được tiến hành về
mặt lý thuyết từ năm 1947, lúc bấy giờ các tính toán này chỉ mang tính hàn
lâm. Chỉ 60 năm sau Geim và Kim (Đại học Columbia) mới tiến hành những
nghiên cứu thực nghiệm trên graphene.
Trong một bán dẫn thông thường electron được gán một khối lượng hiệu
dụng m* để tính đến tương tác của electron với mạng và E phụ thuộc vào
bình phương xung lượng theo hệ thức
trong đó k là vector sóng của electron.
Xét graphite ta thấy các giải năng lượng giao lên nhau, nhưng trong
graphene vùng giao nhau thu gọn về một điểm và có sự đối xứng giữa các
giải năng lượng của lỗ trống và electron (xem hình 3). Hệ thức tán sắc trong
hai giải trở thành tuyến tính khi đến gần điểm gặp nhau đó. Khối lượng
electron m* tiến đến số không, do đó mà động học electron được mô hình
hóa tốt nhất bởi phương trình tương đối tính Dirac với
trong đó vận tốc Fermi vF thay chỗ tốc độ ánh sáng (hãy so sánh với công
thức ).E phụ thuộc tuyến tính vào xung lượng [2].
Lẽ dĩ nhiên khối lượng electrron không bằng không song trong trường hợp
này thông số biểu diễn khối lượng tiến đến số không chứng tỏ rằng vận tốc
electron trong graphene là một hằng số.
Cấu trúc điện tử của graphene khác hẳn với vật liệu ba chiều. Mặt Ferrmi
được đặc trưng bởi sáu hình chóp đôi như ở hình 3. Mức Fermi nằm tại các
điểm gặp nhau (điểm Dirac) của các hình chóp đó.
Gần mức Fermi hệ thức tán sắc (tức năng lượng như hàm số của vector sóng
) của electron và lỗ trống là hàm tuyến tính.
Hình3. Graphene trong không gian thực và trong biểu diễn
xung lượng-không gian. (a) Mỗi nguyên tử carbon trong
mạng graphene làm thành những liên kết mạnh chung hóa
trị (covalent) với các nguyên tử chung quanh.(b) Cấu trúc
giải năng lượng của tinh thể biểu diễn sự phụ thuộc của
năng lượng với chuyển động của electron.Trong graphene
giải hóa trị (valence) và giải dẫn ( conduction) tiếp nhau tại
những điểm của vùng Brillouin. Hệ thức tán sắc năng lượng
– xung lượng trở thành tuyến tính ở vùng lân cận các điểm
đó, hệ thức tán sắc được mô tả bởi phương trình năng lương
tương đối tính E= trong đó vF là vận tốc Fermi
