Giải Nobel Vật lý năm 2023 công nhận nghiên cứu sử dụng xung laser để hình dung chuyển động của các electron cực nhanh. Từ việc tác động đến các phản ứng hóa học đến cải tiến thiết bị điện tử, nghiên cứu từng giây này có tiềm năng rất lớn. Các electron di chuyển trong các phân tử có vẻ không giống cốt truyện của một bộ phim thú vị. Nhưng một nhóm các nhà khoa học sẽ giành được Giải Nobel Vật lý năm 2023 cho nghiên cứu về cơ bản sử dụng xung laser cực nhanh để theo dõi chuyển động của các electron, giống như ghi lại cảnh quay bằng máy ảnh.
Tuy nhiên, electron là một phần của nguyên tử và là chất keo giữ các nguyên tử trong phân tử lại với nhau. Họ nhanh hơn nhiều. Vì thế công cụ mà các nhà vật lý như tôi sử dụng để ghi lại chuyển động của chúng phải rất nhanh -- đến atto giây.
Một atto giây là một phần tỷ giây (10-18 giây) - tỷ lệ của một atto giây trên một giây là tỷ lệ của một giây với tuổi của vũ trụ.
Trong nhiếp ảnh, nếu bạn muốn chụp rõ các vật thể chuyển động nhanh, bạn phải sử dụng máy ảnh màn trập nhanh hoặc đèn nhấp nháy nhanh để chiếu sáng vật thể. Bằng cách chụp nhiều ảnh liên tiếp nhanh chóng, quỹ đạo chuyển động của đối tượng có thể được hiển thị rõ ràng.
Thang thời gian của màn trập hoặc nhấp nháy phải khớp với thang thời gian chuyển động của vật thể, nếu không, hình ảnh sẽ bị mờ. Ý tưởng tương tự cũng được áp dụng khi các nhà nghiên cứu cố gắng ghi lại chuyển động cực nhanh của các electron. Việc ghi lại chuyển động atto giây yêu cầu sử dụng đèn nhấp nháy atto giây. Người đoạt giải Nobel Vật lý năm 2023 đã có những đóng góp mang tính đột phá trong việc tạo ra tia laser hoạt nghiệm atto giây này.
Hãy tưởng tượng rằng các electron trong nguyên tử bị giam giữ bên trong nguyên tử bởi một bức tường. Khi xung laser femto giây (10-15 giây) từ laser femto giây công suất cao nhắm vào các nguyên tử của khí hiếm như argon, thì điện trường mạnh trong xung sẽ hạ thấp thành nguyên tử.
Điều này là do cường độ của điện trường laser tương đương với cường độ của hạt nhân nguyên tử. Các electron nhìn thấy bức tường hạ thấp này và đi qua nó trong một quá trình kỳ lạ gọi là đường hầm lượng tử.
Ngay sau khi các electron rời khỏi nguyên tử, điện trường laser sẽ bắt giữ chúng, tăng tốc chúng lên mức năng lượng cao và đẩy chúng trở lại nguyên tử mẹ. Sự va chạm lại này tạo ra ánh sáng laser atto giây.
Vậy, các nhà vật lý sử dụng các xung siêu ngắn này như thế nào để tạo ra các phim điện tử ở quy mô atto giây?
Phim truyền thống được quay theo từng cảnh và mỗi khoảnh khắc đều được máy ảnh ghi lại dưới dạng ảnh. Những cảnh này sau đó được ghép lại với nhau để tạo thành một bộ phim hoàn chỉnh.
Phim Attosecond của Electronic áp dụng khái niệm tương tự. Các xung atto giây hoạt động giống như ánh sáng nhấp nháy, chiếu sáng các electron để các nhà nghiên cứu có thể chụp đi chụp lại hình ảnh của chúng, giống như một cảnh phim. Kỹ thuật này được gọi là quang phổ đầu dò bơm.
Tuy nhiên, việc chụp ảnh trực tiếp chuyển động của các electron bên trong nguyên tử hiện rất khó khăn, nhưng các nhà nghiên cứu đang phát triển một số phương pháp sử dụng kính hiển vi tiên tiến để có thể chụp ảnh trực tiếp.
Thông thường, trong quang phổ bơm, xung "bơm" sẽ thiết lập các electron chuyển động và bắt đầu một bộ phim. Sau đó, một xung "thăm dò" sẽ làm sáng các electron vào nhiều thời điểm khác nhau sau khi xung bơm đến, để các electron có thể được ghi lại bằng một "máy ảnh" chẳng hạn như máy quang phổ quang điện tử.
Thông tin hay "hình ảnh" về chuyển động của electron được ghi lại bằng công nghệ tinh vi. Ví dụ, máy quang phổ kế quang điện tử có thể phát hiện xung thăm dò loại bỏ bao nhiêu electron khỏi nguyên tử và máy quang phổ photon có thể đo xung thăm dò được các nguyên tử hấp thụ bao nhiêu.
Các "cảnh" khác nhau sau đó được ghép lại với nhau để tạo thành một bộ phim điện tử atto giây. Với sự trợ giúp của các mô hình lý thuyết phức tạp, những tấm phim này cung cấp những hiểu biết cơ bản về hành vi của electron atto giây. Ví dụ, các nhà nghiên cứu đã đo vị trí của điện tích trong các phân tử hữu cơ ở những thời điểm khác nhau trên thang thời gian atto giây. Bằng cách này, họ có thể kiểm soát dòng điện ở quy mô phân tử.
Trong hầu hết các nghiên cứu khoa học, hiểu biết cơ bản về một quy trình sẽ dẫn đến việc kiểm soát quy trình đó và việc kiểm soát đó dẫn đến các công nghệ mới. Nghiên cứu dựa trên sự tò mò có thể dẫn đến những ứng dụng không thể tưởng tượng được trong tương lai, và khoa học attosecond có thể cũng không ngoại lệ.
Việc hiểu và kiểm soát hành vi của các electron ở thang đo atto giây cho phép các nhà nghiên cứu sử dụng tia laser để kiểm soát các phản ứng hóa học theo cách không thể thực hiện được bằng các phương pháp khác. Khả năng này giúp thiết kế các phân tử mới không thể tạo ra bằng các kỹ thuật hóa học hiện có.
Khả năng thay đổi hành vi của các điện tử cho phép chuyển đổi cực nhanh. Các nhà nghiên cứu có khả năng tăng tốc độ của các thiết bị điện tử bằng cách chuyển đổi chất cách điện thành chất dẫn điện ở quy mô atto giây. Hiện nay, các thiết bị điện tử xử lý thông tin ở mức pico giây, tức là 10-12 giây.
Xung Atto giây có bước sóng rất ngắn, thường ở dải cực tím (hoặc EUV) và có thể được sử dụng trong kỹ thuật in thạch bản EUV trong ngành bán dẫn. Kỹ thuật in thạch bản cực tím sử dụng tia laser có bước sóng cực ngắn để khắc các mạch điện nhỏ trên chip điện tử.
Gần đây, các tia laser điện tử tự do, chẳng hạn như Nguồn sáng kết hợp Linner tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC ở Hoa Kỳ, đã trở thành nguồn laser tia X sáng. Những tia laser này hiện có thể tạo ra xung atto giây, mở ra nhiều khả năng nghiên cứu sử dụng tia X atto giây.
Ý tưởng tạo ra xung laser cấp zeptosecond (10-21 giây) cũng đã được đề xuất. Các nhà khoa học có thể sử dụng những xung này, nhanh hơn xung atto giây, để nghiên cứu chuyển động của các hạt như proton bên trong hạt nhân nguyên tử.
Với nhiều nhóm nghiên cứu tích cực làm việc để giải quyết các vấn đề thú vị trong khoa học atto giây và Giải Nobel Vật lý năm 2023 đã công nhận tầm quan trọng của nó, khoa học atto giây có một tương lai lâu dài và tươi sáng.