Một nhóm gồm 3 nhà nghiên cứu đã giành được Giải thưởng Nobel vật lý năm 2023 cho công trình nghiên cứu về ‘điện tử’ – bằng cách chiếu sáng các phân tử thông qua những tia sáng dài ‘atto giây’.
Nhưng 1 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?
Lần đầu tiên, tôi biết đến lĩnh vực nghiên cứu này, khi còn là một sinh viên tốt nghiệp ngành hóa lý.
Nhóm cố vấn tiến sĩ của tôi, có một dự án chuyên nghiên cứu các phản ứng hóa học với xung atto giây. Trước khi hiểu tại sao nghiên cứu atto giây đã mang lại giải thưởng danh giá nhất trong khoa học, cần phải hiểu xung ánh sáng atto giây là gì.
Một atto giây dài bao nhiêu?
“Atto” là tiền tố ký hiệu khoa học đại diện cho 10-18, là dấu thập phân theo sau là 17 số 0 và số 1. Vì vậy, một tia sáng kéo dài 1 atto giây, hay 0,0000000000000000001 giây, là một xung ánh sáng cực ngắn.
Trên thực tế, số atto giây trong 1 giây xấp xỉ bằng số giây trong tuổi của vũ trụ.
Biểu đồ hiển thị atto giây, được mô tả là tập hợp các hình lục giác màu cam, ở bên trái, với tuổi của vũ trụ, được mô tả là chân không tối ở bên phải và nhịp tim, được mô tả là trái tim con người, ở giữa.
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. 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 – Giải Nobel vật lý 2023
Sự sắp xếp lại các electron trong nguyên tử và phân tử mang lại ‘hướng dẫn’ rất nhiều quá trình trong vật lý, và nó thực tế là nền tảng của ‘mọi phần’ liên quan đến hóa học. Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã nỗ lực 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.
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’.
Kỹ thuật quang phổ là một kỹ thuật phổ biến trong vật lý và hóa học, có thể được thực hiện với các xung ánh sáng atto giây.
Tương tự, hãy tưởng tượng một chiếc máy ảnh chỉ có thể chụp phơi sáng lâu hơn, khoảng 1 giây. Những thứ chuyển động, chẳng hạn như 1 người chạy về phía máy ảnh hoặc 1 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 (chim hoặc người chuyển động quá nhanh để có ghi lại chuyển động – ‘đóng băng’ chuyển động).
Sau đó, hãy tưởng tượng, bạn sử dụng máy ảnh có độ phơi sáng 1 mili giây (đủ để ghi lại cảnh chuyển động). Như vậy, 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 là cách sử dụng thang đo atto giây, thay vì thang đo femto giây, có thể làm sáng tỏ hành vi của điện tử.
Nghiên cứu Atto giây – Nobel vật lý 2023
Vậy xung atto giây có thể giúp trả lời những loại câu hỏi nghiên cứu nào?
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 2 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.
Khả năng tạo ra các xung atto giây – nghiên cứu giúp 3 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.
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.
Tác giả: Aaron W. Harrison, giáo sư trợ lý hóa học, Đại học Austin
