Đầu tháng 10/2023, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển vừa trao Giải Nobel Vật lý năm 2023 cho một nhóm gồm ba nhà nghiên cứu gồm ba nhà nghiên cứu gồm Pierre Agostini, Ferenc Krausz và Anne L'Huillier vì công trình tạo ra các xung ánh sáng cực ngắn có thể dùng để đo các quá trình cực nhanh của electron khi di chuyển hoặc thay đổi năng lượng.
Các xung ánh sáng cực ngắn được tạo ra theo thang thời gian được gọi là atto giây (attosecond).
Công trình của họ đã cách mạng hóa cách các nhà khoa học nghiên cứu về điện tử và hóa học – bằng việc phát triển các kỹ thuật quan sát chuyển động của các electron trong nguyên tử và phân tử thông qua việc sử dụng các tia sáng laser kéo dài chỉ atto giây.
Từ trái sang phải: Ba nhà nghiên cứu gồm Pierre Agostini, Anne L'Huillier, và Ferenc Krausz đã giành được Giải thưởng Nobel Vật lý năm 2023. Nguồn ảnh từ trái sang phải: ALEXANDRA BEIER/GETTY IMAGES; BERTIL ERICSON/TT NEWS AGENCY VIA AP; MICHEL EULER/AP
Nhưng một atto giây dài bao nhiêu, và những xung cực ngắn này có thể cho các nhà nghiên cứu biết điều gì về bản chất của vật chất?
Trước khi hiểu tại sao nghiên cứu atto giây lại mang lại giải thưởng danh giá nhất trong khoa học, cần phải hiểu atto giây và xung ánh sáng atto giây là gì.
Một atto giây dài bao nhiêu?
Atto giây là một đơn vị thời gian cực kỳ ngắn, tương đương với một phần tỷ tỷ của giây, hay 0,000000000000000001 giây, The Conversation cho biết.
Trên thực tế, số lượng atto giây trong một giây xấp xỉ bằng số giây trong tuổi của vũ trụ. Tuổi vũ trụ xấp xỉ 13,8 tỷ năm.
Khung thời gian cực kỳ ngắn ngủi này hiện đang được các nhà vật lý khai thác để thăm dò và vận dụng một số khía cạnh cơ bản nhất của thế giới vật chất của chúng ta.
Trước đây, các nhà khoa học có thể nghiên cứu chuyển động của hạt nhân nguyên tử nặng hơn và chuyển động chậm hơn bằng xung ánh sáng femto giây (10⁻¹⁵). Một nghìn atto giây bằng 1 femto giây (femtosecond).
Nhưng các nhà nghiên cứu không thể nhìn thấy chuyển động ở cấp độ electron cho đến khi họ có thể tạo ra các xung ánh sáng atto giây – các electron chuyển động quá nhanh khiến các nhà khoa học không thể phân tích chính xác chúng đang làm gì ở cấp độ femto giây.
Xung Atto giây là gì?
Sự sắp xếp lại các electron trong nguyên tử và phân tử cung cấp thông tin cho nhiều quá trình trong vật lý, và nó thực tế là nền tảng của mọi phần của hóa học. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực rất nhiều để tìm ra cách các electron chuyển động và sắp xếp lại.
Tuy nhiên, các electron chuyển động rất nhanh trong các quá trình vật lý và hóa học, khiến chúng khó nghiên cứu. Để nghiên cứu các quá trình này, các nhà khoa học sử dụng quang phổ - một phương pháp kiểm tra xem vật chất hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng như thế nào.
Ảnh minh họa về atto giây. Nguồn: ETH Zurich
Để theo dõi các electron trong thời gian thực, các nhà nghiên cứu cần một xung ánh sáng ngắn hơn thời gian để các electron sắp xếp lại.
Hãy tưởng tượng, một chiếc máy ảnh chỉ có thể chụp phơi sáng trong 1 giây. Những thứ chuyển động, chẳng hạn như một người chạy về phía máy ảnh hoặc một con chim bay ngang qua bầu trời, sẽ xuất hiện mờ trong ảnh chụp và sẽ khó biết chính xác điều gì đang diễn ra.
Tiếp đến, hãy tưởng tượng bạn sử dụng máy ảnh có độ phơi sáng 1 mili giây. Giờ đây, những chuyển động trước đây bị nhòe sẽ được xử lý hoàn hảo thành những bức ảnh chụp nhanh rõ ràng và chính xác.
Đó cũng là cách các nhà khoa học sử dụng thang đo atto giây, thay vì thang đo femto giây, để làm sáng tỏ hành vi của electron.
Nghiên cứu Atto giây
Vậy xung atto giây có thể giúp nhà khoa học trả lời những loại câu hỏi nghiên cứu nào?
Một trong những lĩnh vực chính mà atto giây đã cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta là lĩnh vực vật lý nguyên tử và phân tử. Cụ thể:
Thứ nhất, phá vỡ liên kết hóa học là một quá trình cơ bản trong tự nhiên trong đó các electron được chia sẻ giữa hai nguyên tử sẽ tách ra thành các nguyên tử không liên kết.
Các electron được chia sẻ trước đó trải qua những thay đổi cực nhanh trong quá trình này và các xung atto giây giúp các nhà nghiên cứu có thể theo dõi sự phá vỡ liên kết hóa học trong thời gian thực.
Các xung ánh sáng cực ngắn được tạo ra theo thang thời gian được gọi là atto giây (attosecond). Ảnh minh họa
Khả năng tạo ra các xung atto giây – nghiên cứu giúp ba nhà nghiên cứu đoạt giải Nobel vật lý năm 2023 – lần đầu tiên trở nên khả thi vào đầu những năm 2000, và lĩnh vực này tiếp tục phát triển nhanh chóng kể từ đó.
Bằng cách cung cấp những bức ảnh chụp nhanh ngắn hơn về các nguyên tử và phân tử, quang phổ atto giây đã giúp các nhà nghiên cứu hiểu được hành vi của electron trong các phân tử đơn lẻ, chẳng hạn như cách điện tích di chuyển và cách liên kết hóa học giữa các nguyên tử bị phá vỡ.
Thứ hai, ở quy mô lớn hơn, công nghệ atto giây còn được áp dụng để nghiên cứu cách thức hoạt động của các electron trong nước lỏng cũng như sự truyền electron trong chất bán dẫn ở trạng thái rắn.
Khi các nhà nghiên cứu tiếp tục cải thiện khả năng tạo ra xung ánh sáng atto giây, họ sẽ hiểu sâu hơn về các hạt cơ bản tạo nên vật chất.
Ứng dụng của atto giây
Trong 2 thập kỷ qua, các ứng dụng của khoa học atto giây đã bắt đầu phát triển. Vật lý atto giây cho phép các nhà khoa học quan sát các hạt rất nhỏ trong khoảng thời gian rất ngắn.
Một trong những ứng dụng đột phá nhất của khoa học atto giây là khả năng tạo và điều khiển các xung tia cực tím (XUV) và tia X, những xung này rất quan trọng để chụp ảnh các quá trình cực nhanh ở quy mô nguyên tử và phân tử. Các xung này được tạo ra bằng hệ thống laser cường độ cao tạo ra các chùm ánh sáng atto giây.
Ứng dụng đột phá nhất của khoa học atto giây là khả năng tạo và điều khiển các xung tia cực tím (XUV) và tia X. Ảnh: N. Golubev, EPFL.
Với các xung atto giây này, các nhà khoa học có thể "đóng băng" chuyển động của các electron trong nguyên tử và phân tử, mang lại cái nhìn thời gian thực về chuyển động của electron trong các phản ứng hóa học.
Ý nghĩa cơ bản của atto giây trong vật lý nằm ở khả năng làm sáng tỏ những hiện tượng mà trước đây chúng ta không thể quan sát được. Ví dụ, chúng cho phép các nhà khoa học quan sát bản chất cơ học lượng tử của các electron và vũ điệu phức tạp mà chúng thực hiện khi tương tác với nhau và với hạt nhân nguyên tử.
Kiến thức này có ý nghĩa sâu sắc đối với các lĩnh vực như hóa học, khoa học vật liệu và thậm chí cả sự phát triển của các công nghệ mới.
Nguồn: The Conversation, India Today, Science.org
