Giải thưởng Nobel Vật lý năm 2023 công nhận công trình của ba nhà nghiên cứu sử dụng xung ánh sáng ở quy mô atto giây, đã cách mạng hóa việc nghiên cứu chuyển động nhanh của điện tử và mở rộng hiểu biết trong các lĩnh vực vật lý và hóa học khác nhau. Một nhóm gồm ba nhà nghiên cứu đã giành được Giải Nobel Vật lý năm 2023 cho công trình đã cách mạng hóa cách các nhà khoa học nghiên cứu về điện tử - chiếu sáng các phân tử bằng những tia sáng dài atto giây. Nhưng một atto giây dài bao nhiêu, và những xung cực ngắn này có thể cho các nhà nghiên cứu biết điều gì về tính chất của vật chất?
Lần đầu tiên tôi biết đến lĩnh vực nghiên cứu này là khi tôi còn là sinh viên tốt nghiệp ngành hóa lý. Nhóm nghiên cứu người hướng dẫn tiến sĩ của tôi có một dự án sử dụng xung atto giây để nghiên cứu các phản ứng hóa học. Trước khi hiểu tại sao nghiên cứu atto giây lại giành được giải thưởng danh giá nhất trong khoa học, trước tiên chúng ta hãy hiểu ánh sáng xung atto giây là gì.
Một atto giây dài bao nhiêu?
"Ato" là tiền tố của ký hiệu khoa học, đại diện cho 10-18, nghĩa là dấu thập phân theo sau là 17 0 và 1. Do đó, một đèn flash kéo dài một atto giây, hay 0,00000000000001 giây, là một xung ánh sáng cực ngắn. Trên thực tế, số atto giây trong một giây bằng số giây trong tuổi của vũ trụ.
Trước đây, các nhà khoa học có thể nghiên cứu chuyển động của các hạt nhân nặng hơn, chuyển động chậm hơn bằng cách sử dụng các xung ánh sáng femto giây (10-15). Một nghìn atto giây bằng một femto giây. Nhưng cho đến khi các xung ánh sáng atto giây được tạo ra, các nhà nghiên cứu không thể nhìn thấy chuyển động ở cấp độ electron—các electron chuyển động quá nhanh để các nhà khoa học có thể phân giải chính xác chuyển động của chúng ở cấp độ femto giây.
Xung Attogiây
Sự sắp xếp lại của các electron trong nguyên tử và phân tử hướng dẫn nhiều quá trình trong vật lý và thực sự là nền tảng của mọi phần hóa học. Vì vậy các nhà nghiên cứu đã nỗ lực rất nhiều để tìm ra cách các electron di chuyển 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 nghiên cứu cách vật chất hấp thụ hoặc phát ra ánh sáng. 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.
Tương tự, hãy tưởng tượng một chiếc máy ảnh chỉ có thể chụp thời gian phơi sáng lâu hơn (khoảng 1 giây). Các vật thể chuyển động, chẳng hạn như người chạy về phía máy ảnh hoặc chim bay ngang bầu trời, sẽ xuất hiện mờ trong ảnh chụp, khiến bạn khó nhìn thấy điều gì đang diễn ra. Sau đó, hãy tưởng tượng một chiếc máy ảnh sử dụng độ phơi sáng 1 mili giây. Giờ đây, chuyển động trước đây không rõ ràng sẽ được xử lý tốt thành những bức ảnh chụp nhanh rõ ràng và chính xác. Đây là cách sử dụng thang đo atto giây thay vì thang đo femto giây làm sáng tỏ hành vi của điện tử.
Nghiên cứu Attosecond
Vậy xung attosecond có thể giúp trả lời những câu hỏi nghiên cứu nào?
Đầu tiên, sự phá vỡ liên kết hóa học là một quá trình cơ bản trong tự nhiên, trong đó các electron dùng chung giữa hai nguyên tử tách ra thành các nguyên tử không liên kết. Trong quá trình này, các electron được chia sẻ trước đây trải qua những thay đổi cực nhanh 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.
Khả năng tạo ra các xung atto giây - công trình giúp ba nhà nghiên cứu được trao 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 giúp các nhà nghiên cứu hiểu được hành vi của các electron trong các phân tử đơn lẻ, chẳng hạn như cách các điện tích di chuyển và cách liên kết hóa học giữa các nguyên tử bị phá vỡ.
Ở quy mô lớn hơn, kỹ thuật atto giây cũng được sử dụng để nghiên cứu hành vi của các electron trong nước lỏng và sự chuyển giao electron trong chất bán dẫn 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.
Tác giả: Aaron W. Harrison, Trợ lý Giáo sư Hóa học tại Đại học Austin.