Vào khoảng 17:45 giờ Bắc Kinh ngày 3 tháng 10 năm 2023, giải Nobel Vật lý năm 2023 đã được trao cho nhà khoa học người Pháp Pierre Agostini, một nhà khoa học người Hungary gốc Áo. Nhà khoa học Ferenc Krausz và nhà khoa học người Pháp/Thụy Điển Anne L'Huillier vì "phương pháp thử nghiệm tạo ra xung ánh sáng atto giây để nghiên cứu động lực học điện tử trong vật chất".
Pierre Agostini nhận bằng Tiến sĩ tại Đại học Aix-Marseille ở Pháp vào năm 1968 và hiện là giáo sư tại Đại học Bang Ohio ở Hoa Kỳ.
Ferenc Krausz sinh ra ở Mol, Hungary vào năm 1962. Ông nhận bằng Tiến sĩ tại Đại học Kỹ thuật Vienna, Áo vào năm 1991. Ông hiện là giám đốc của Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Garching, Đức và là giáo sư tại Đại học Ludwig Maximilian ở Munich, Đức.
Anne L'Huillier sinh ra ở Paris, Pháp vào năm 1958. Ông nhận bằng Tiến sĩ tại Đại học Pierre và Marie Curie ở Paris, Pháp, vào năm 1986 và hiện là giáo sư tại Đại học Lund ở Thụy Điển.
Điện tử ở dạng xung ánh sáng
Người chiến thắng năm nay đã thử nghiệm tạo ra các tia sáng đủ ngắn để chụp ảnh nhanh các chuyển động của điện tử cực nhanh. Anne L'Huillier phát hiện ra những hiệu ứng mới của sự tương tác giữa tia laser với các nguyên tử trong chất khí. Pierre Agostini và Ferenc Krausz đã chứng minh rằng hiệu ứng này có thể được sử dụng để tạo ra các xung ánh sáng ngắn hơn trước đây.
Một con chim ruồi nhỏ có thể đập cánh 80 lần mỗi giây, nhưng đối với chúng ta, chúng ta chỉ có thể cảm nhận được âm thanh vo ve và chuyển động mơ hồ của cánh. Chuyển động nhanh trở nên mờ đối với giác quan của con người và các sự kiện cực ngắn không thể nhìn thấy được đối với giác quan của con người—chúng ta cần các kỹ thuật đặc biệt để ghi lại hoặc mô tả những khoảnh khắc rất ngắn này. Sử dụng nhiếp ảnh tốc độ cao và đèn flash, chúng ta có thể ghi lại hình dáng vật lý của các hiện tượng thoáng qua. Nếu bạn muốn chụp một bức ảnh có độ phân giải cao về một con chim ruồi đang bay, bạn cần thời gian phơi sáng ngắn hơn nhiều so với một nhịp đập cánh của một con chim ruồi. Nếu bạn muốn ghi lại các sự kiện nhanh hơn, bạn cần phải chụp nhanh hơn.
Nguyên tắc tương tự áp dụng cho tất cả các phương pháp dùng để đo hoặc mô tả các quá trình chuyển động nhanh: mọi phép đo đều phải nhanh hơn thời điểm hệ thống mục tiêu thay đổi đáng kể, nếu không bạn sẽ chỉ nhận được kết quả mơ hồ. Người đoạt giải Nobel vật lý năm nay đã chứng minh bằng thí nghiệm một cách tạo ra các xung ánh sáng đủ ngắn để ghi lại hình ảnh của các quá trình bên trong nguyên tử và phân tử.
Thang thời gian tự nhiên của nguyên tử là rất ngắn. Trong các phân tử, các nguyên tử có thể di chuyển và quay trong một phần triệu triệu giây (femto giây) và những chuyển động này có thể được nghiên cứu bằng cách sử dụng các xung cực ngắn do tia laser tạo ra. Nhưng khi toàn bộ nguyên tử chuyển động, thang thời gian được xác định bởi các hạt nhân nặng và lớn của chúng, chuyển động cực kỳ chậm so với các electron nhẹ, linh hoạt. Khi các electron chuyển động bên trong nguyên tử hoặc phân tử, chúng chuyển động nhanh đến mức không thể mô tả rõ ràng trên thang đo femto giây. Trong thế giới điện tử, vị trí và năng lượng thay đổi với tốc độ từ một đến hàng trăm atto giây, với atto giây là 10-18 giây.
Một atto giây ngắn đến mức số atto giây trong một giây bằng với số giây đã trôi qua kể từ khi vũ trụ được hình thành cách đây 13,8 tỷ năm. Để đưa ra một ví dụ gần gũi hơn, chúng ta có thể tưởng tượng một chùm ánh sáng được phát ra từ đầu này của căn phòng tới bức tường đối diện - quá trình này mất 10 tỷ atto giây.
Femto giây từ lâu đã được coi là giới hạn của đèn flash có thể được tạo ra. Chỉ cải tiến các kỹ thuật hiện có là không đủ để thấy các electron chuyển động trong khoảng thời gian cực ngắn – các nhà khoa học cần một thứ gì đó hoàn toàn mới. Và những người chiến thắng năm nay đã mở ra một lĩnh vực hoàn toàn mới của vật lý atto giây.
Các điện tử chuyển động rất nhanh trong nguyên tử và phân tử và thang đo theo thứ tự atto giây. Một atto giây trong một giây ngắn bằng một giây trong tuổi của vũ trụ.
Xung ngắn hơn ở mức hài hòa cao hơn
Ánh sáng bao gồm các sóng (dao động trong điện trường và từ trường) truyền đi nhanh hơn bất kỳ thứ gì khác trong chân không. Ánh sáng có bước sóng khác nhau xuất hiện dưới dạng các màu sắc khác nhau của ánh sáng. Ví dụ, ánh sáng đỏ có bước sóng khoảng 700 nanomet, bằng khoảng một phần trăm chiều rộng của sợi tóc người và dao động khoảng 430 nghìn tỷ lần mỗi giây. Chúng ta có thể coi xung ánh sáng ngắn nhất là độ dài của một chu kỳ trong sóng ánh sáng, tức là một chu kỳ trong đó sóng ánh sáng tăng lên đến đỉnh, rơi xuống đáy và quay trở lại điểm xuất phát. Trong trường hợp này, bước sóng laser được sử dụng trong các hệ thống laser thông thường không bao giờ có thể xuống dưới phạm vi femto giây, vì vậy trong những năm 1980, đây được coi là giới hạn cứng đối với các xung ánh sáng ngắn nhất.
Dựa trên toán học của sóng, chúng ta có thể xây dựng các dạng sóng tùy ý nếu sử dụng đủ sóng có bước sóng, tần số và biên độ phù hợp (khoảng cách giữa các đỉnh và đáy). Thủ thuật với các xung atto giây là tạo ra các xung ngắn hơn bằng cách kết hợp nhiều sóng ngắn hơn.
Các electron chuyển động cực nhanh nên nếu muốn quan sát chuyển động của electron ở cấp độ nguyên tử, bạn cần các xung ánh sáng đủ ngắn, nghĩa là kết hợp các sóng ngắn có nhiều bước sóng khác nhau.
Để tạo ra bước sóng ánh sáng ngắn nhất từ trước đến nay, chúng ta cần nhiều thứ hơn là chỉ có tia laser. Điều quan trọng nhất là phải hiểu hiện tượng xảy ra khi tia laser truyền qua chất khí. Khi tia laser tương tác với các nguyên tử trong chất khí, nó tạo ra một loại sóng hài—sóng hoàn thành nhiều chu kỳ hoàn chỉnh cho mỗi chu kỳ của sóng ban đầu. Chúng ta có thể so sánh hài âm với âm bội, những âm thanh mang lại một đặc tính cụ thể cho âm thanh. Âm bội cho phép chúng ta nghe thấy sự khác biệt giữa các nốt giống nhau được chơi trên guitar và piano.
Năm 1987, Anne Lullier và các đồng nghiệp của cô tại một phòng thí nghiệm ở Pháp đã chứng minh việc tạo ra sóng hài bằng cách sử dụng chùm tia laser hồng ngoại truyền qua một loại khí hiếm. Ánh sáng hồng ngoại tạo ra nhiều sóng hài hơn và mạnh hơn các tia laser có bước sóng ngắn hơn được sử dụng trong các thí nghiệm trước đó. Trong thí nghiệm này, họ quan sát thấy nhiều sóng hài có cường độ ánh sáng xấp xỉ nhau.
Các âm bội có nhiều chu kỳ cho mỗi chu kỳ ở âm cơ bản. Sóng hài hoạt động trong sóng ánh sáng tương tự như âm bội.
Vào những năm 1990, Lullier tiếp tục khám phá hiệu ứng này với một loạt bài báo được xuất bản tại Đại học Lund. Những phát hiện của cô giúp hiểu được hiện tượng này về mặt lý thuyết và đặt nền tảng cho bước đột phá thử nghiệm tiếp theo.
Các electron thoát ra tạo ra sóng hài
Khi tia laser đi vào chất khí và tác động đến các nguyên tử của nó, nó gây ra dao động điện từ, làm biến dạng điện trường của các electron xung quanh hạt nhân, khiến các electron thoát ra khỏi nguyên tử. Tuy nhiên, điện trường của tia laser liên tục dao động và khi nó đổi hướng, các electron lỏng lẻo có thể lao ngược vào hạt nhân. Khi electron di chuyển, nó nhận thêm một lượng lớn năng lượng từ điện trường của tia laser. Để trở về trạng thái cơ bản gần hạt nhân, các electron phải giải phóng năng lượng dư thừa dưới dạng xung ánh sáng. Những xung ánh sáng này từ các electron tạo ra các sóng hài được thấy trong thí nghiệm.
Sự tương tác giữa laser và các nguyên tử trong khí
Thí nghiệm đã phát hiện ra cơ chế tạo sóng hài bằng laser. Nó hoạt động như thế nào?
1. Các electron kết hợp với hạt nhân thường không thể thoát ra khỏi nguyên tử. Nó không có đủ năng lượng để tự thoát ra khỏi giếng tiềm năng được hình thành bởi điện trường nguyên tử.
2. Khi các nguyên tử bị tác động bởi xung laser, điện trường của chúng sẽ bị biến dạng. Khi một electron chỉ bị giới hạn bởi một rào thế hẹp, cơ học lượng tử cho phép nó chui hầm và thoát ra ngoài.
3. Các electron tự do vẫn bị ảnh hưởng bởi điện trường laser và thu thêm một ít năng lượng. Khi điện trường quay và đổi hướng thì các electron bị hút lại.
4. Để gắn lại vào hạt nhân, electron phải tỏa ra năng lượng dư thừa mà nó thu được trên đường thoát ra. Năng lượng này được phát ra dưới dạng tia cực tím, có bước sóng liên quan đến bước sóng của trường laser và thay đổi tùy thuộc vào khoảng cách mà các electron đã di chuyển.
Năng lượng của ánh sáng có liên quan đến bước sóng của nó. Năng lượng trong các sóng hài do thí nghiệm phát ra có thể so sánh với năng lượng của tia cực tím và bước sóng của nó ngắn hơn bước sóng của ánh sáng khả kiến. Vì năng lượng đến từ các dao động của tia laser, nên các dao động điều hòa sẽ tỉ lệ thuận với bước sóng của xung laser ban đầu. Kết quả của việc ánh sáng tương tác với nhiều nguyên tử khác nhau là một tập hợp các sóng ánh sáng khác nhau có bước sóng cụ thể.
Khi những sóng hài này xuất hiện, chúng sẽ tương tác với nhau. Khi các đỉnh sóng ánh sáng chồng lên nhau, ánh sáng tạo ra trở nên mạnh hơn, nhưng khi đỉnh của một sóng ánh sáng chồng lên đáy của sóng ánh sáng khác, ánh sáng tạo ra trở nên ít cường độ hơn. Trong những trường hợp thích hợp, các sóng hài trùng khớp, tạo ra một loạt xung ánh sáng tia cực tím, mỗi xung có chu kỳ vài trăm atto giây. Các nhà vật lý đã hiểu lý thuyết đằng sau nó vào những năm 1990, nhưng bước đột phá thực sự đến vào năm 2001, khi các nhà khoa học thực sự xác định và kiểm tra xung.
Khám phá thế giới của các electron có xung ánh sáng ngắn nhất: Khi tia laser đi qua chất khí, các nguyên tử trong chất khí tạo ra sóng hài của ánh sáng cực tím. Trong điều kiện thích hợp, những sóng hài này có thể được đồng bộ hóa. Khi chu kỳ của chúng trùng nhau, xung atto giây tập trung được hình thành. Ví dụ về bố trí thí nghiệm: Tia laser được chia thành hai chùm tia, một trong số đó được sử dụng để tạo ra một chuỗi xung atto giây. Chuỗi xung này sau đó được thêm vào các xung laser ban đầu và sự kết hợp này được sử dụng để thực hiện các thí nghiệm cực nhanh.
Pierre Agostini và nhóm nghiên cứu của ông ở Pháp đã chế tạo và nghiên cứu thành công một chuỗi xung ánh sáng liên tục giống như một đoàn tàu có nhiều toa nối tiếp nhau. Họ đã sử dụng một thủ thuật đặc biệt là đặt "chuỗi xung" này cùng với các phần bị trễ của xung laser ban đầu để xem các sóng hài được đồng bộ hóa với nhau như thế nào. Họ cũng đo thời lượng của các xung trong “chuỗi xung” và phát hiện ra rằng mỗi xung chỉ kéo dài 250 atto giây.
Trong khi đó, Ferenc Krausz và nhóm nghiên cứu của ông ở Áo đang nghiên cứu một kỹ thuật có thể chọn ra các xung riêng lẻ—chẳng hạn như tách một toa trên một đoàn tàu và chuyển nó sang một đường ray khác. Họ đã cô lập thành công một xung kéo dài 650 atto giây, xung mà nhóm nghiên cứu sử dụng để theo dõi và nghiên cứu quá trình các electron thoát ra khỏi giới hạn nguyên tử của chúng.
Những thí nghiệm này chứng minh rằng xung atto giây có thể được quan sát và đo lường, đồng thời chúng cũng có thể được sử dụng trong các thí nghiệm mới.
Giờ đây, thế giới atto giây đã nằm trong tầm tay, những xung ánh sáng ngắn này có thể được sử dụng để nghiên cứu chuyển động của các electron. Giờ đây, người ta có thể tạo ra các xung thấp tới hàng chục atto giây và công nghệ này không ngừng phát triển.
Sự chuyển động của các electron trở nên dễ hiểu
Các xung attosecond có thể đo thời gian cần thiết để một electron bị kéo ra khỏi nguyên tử và kiểm tra xem electron liên kết chặt chẽ như thế nào với hạt nhân để xác định thời gian đó là bao lâu. Chúng ta có thể tái tạo lại sự phân bố của các electron trong nguyên tử và vật liệu để chúng dao động từ bên này sang bên kia hoặc từ vị trí này sang vị trí khác; cho đến nay, vị trí của một electron chỉ có thể được đo ở mức trung bình.
Các xung atto giây có thể được sử dụng để kiểm tra các quá trình bên trong của một chất và xác định các sự kiện khác nhau. Những xung này đã được sử dụng để khám phá các chi tiết của vật lý nguyên tử và phân tử và có những ứng dụng tiềm năng trong điện tử, y học và các lĩnh vực khác.
Ví dụ: xung atto giây có thể được sử dụng để đẩy các phân tử, từ đó gửi đi tín hiệu có thể đo được. Tín hiệu từ các phân tử có cấu trúc đặc biệt, dấu vân tay có thể tiết lộ "danh tính" của chúng và có thể có những ứng dụng tiềm năng trong các lĩnh vực như chẩn đoán y tế.