Điện trở âm được tìm thấy trong khí điện tử 2 chiều

Bất kỳ nhà vật lý nào khi bắt đầu học vật lý đều biết rằng điện trở chống lại dòng chuyển dời có hướng của các điện tích, và điện trở vốn đã là một đại lượng dương. Nhưng các nhà khoa học Thổ Nhĩ Kỳ và Đức nghiên cứu khí điện tử 2D (không gian 2 chiều) ở nhiệt độ thấp trong chất bán dẫn giờ đây đã quan sát thấy bằng chứng về “điện trở âm”.

Họ nói rằng, hiệu ứng kỳ lạ này có thể sẽ được sử dụng để tạo ra các nguồn cực nhỏ phát ra bức xạ terahezt (THz: nghìn tỉ Hezt), những bức xạ mà chỉ được tạo ra một cách thông thường bởi các thiết bị lớn hơn rất nhiều ví như các máy synchrotron (Các kết quả này có thể xem tại Phys. Rev. Lett. 98 186801).

Trong vật dẫn thông thường, dòng điện là kết quả chuyển dời có hướng của các hạt mang điện tích, thường là các electron, khi chúng chịu lực tác dụng của điện trường đặt vào hai cực điện. Dọc theo quỹ đạo, các điện tử thường xuyên bị cản trở bởi các ion và các tạp do sự va chạm, đó là lý do của điện trở và vì vậy dẫn tới sự mất năng lượng.

Điện trở âm, vì thế, là sự ám chỉ rằng năng lượng bằng cách nào đó lại được cung cấp cho các điện tử, và làm chúng chuyển động nhanh hơn. Vấn đề ở đây là, năng lượng không thể xuất hiện từ hư không vì điều đó sẽ vi phạm định luật thứ nhất của nhiệt động học, được phát biểu rằng năng lượng phải là bảo toàn trong một hệ cô lập.

Hình 1. Sơ đồ bố trí hệ tạo hiệu ứng điện trở dương
(Kết quả đăng trên Phys. Rev. Lett. 98 186801).

Ismet Kaya tại Đại học Sabanci của Thổ Nhĩ Kỳ và Karl Eberl tại Viện Max-Planck của Đức, lại nói rằng, điện trở âm có thể xảy ra trong một vật dẫn chứa ba cực điện trên một đường thẳng. Theo lý thuyết, một phần năng lượng bị mất do điện trở tương ứng với các electron di chuyển từ cực thứ nhất sang cực thứ hai, phải được truyền một cách nào đó cho các điện tử chuyển động vượt từ cực thứ hai sang cực thứ ba. Các điện tử được nạp năng lượng này, vì thế, sau đó sẽ di chuyển với một dòng điện phía trước trong điện trường ngược lại, nói một cách khác, là có một điện trở âm, trong khi vẫn tuân theo định luật thứ nhất của nhiệt động lực học.

Một vấn đề lý thuyết là nó đòi hỏi một số các điện tử “nóng” từ phần thứ nhất để đổ như thác vào chùm điện tử trong phần thứ hai, nơi mà chúng mất đi năng lượng của chúng. Nhưng điều này bị ngăn chặn bởi nguyên lý loại trừ Pauli, cái mà bảo đảm rằng các điện tử có sự phân bố năng lượng đồng nhất theo mọi hướng. Kaya và Eberl đã giải quyết vấn đề này bằng cách tạo ra một cấu trúc dài, nhỏ, cỡ 10 micro-mét, được tạo từ GaAs và AlGaAs, trong đó, các điện tử sử xự như một khí 2D (hai chiều). Bằng cách làm lạnh cấu trúc này xuống nhiệt độ 4.2 K, các điện tử xen vào cực thứ nhất có thể ngay lập tức loại đi nguyên lý loại trừ và nhận năng lượng chuyển cho cần thiết.

Hình 2. Kết quả về hiệu ứng điện trở vi phân âm
(Kết quả đăng trên Phys. Rev. Lett. 98 186801).

Kaya nói rằng, hiệu ứng điện trở âm có thể được khai thác để làm ra các nguồn phát bức xạ terahezt (THz) một cách đơn giản bằng cách thêm một bộ phận cảm điện vào trong cấu trúc nói trên. Bức xạ terahezt, vùng bức xạ nằm kẹp giữa sóng microwave (sóng vi-ba) và hồng ngoại trong phổ sóng điện từ, một ngày nào đó có thể sẽ cho phép các dữ liệu đựoc truyền đi với tốc độ cực cao, nhưng hiện thời nó chỉ được tạo ra trong những thiết bị rất lớn và đắt tiền ví như các máy gia tốc hạt synchrotron.

Elektron

Theo Physcal Review Letters & PhysicsWeb.org, Vật lý Việt Nam