Vén màn bí ẩn của electron với xung ánh sáng

Ngày 3-10, Giải Nobel Vật lý 2023 vinh danh các nhà khoa học Pierre Agostini (người Pháp), Ferenc Krausz (người Áo gốc Hungary) và Anne L’ Huillier (người Thụy Điển gốc Pháp) với phương pháp thực nghiệm tạo xung ánh sáng atto giây. Công trình được xem là bước tiến mang lại cho nhân loại những công cụ mới để khám phá thế giới electron bí ẩn bên trong nguyên tử và phân tử.

Ba chủ nhân của giải Nobel Vật lý năm 2023. Ảnh: Nobel Prize

Dấu ấn của xung ánh sáng cực ngắn

Theo AP, trong thế giới của các electron, những thay đổi xảy ra trong vài phần mười atto giây. Một atto giây ngắn đến mức một giây có số atto giây bằng số giây kể từ khi vũ trụ ra đời. Thí nghiệm của 3 nhà khoa học đoạt giải đã tạo ra các xung ánh sáng “siêu ngắn” đến mức chúng được đo bằng atto giây, nhờ đó các xung này có thể được sử dụng để cung cấp hình ảnh về các quá trình diễn ra bên trong nguyên tử và phân tử.

Nghiên cứu được thực hiện trong nhiều thập niên cho phép họ điều tra các quá trình diễn ra nhanh đến mức mà trước đây giới khoa học không thể theo dõi được. Công nghệ mới này rất quan trọng để hiểu và kiểm soát cách thức hoạt động của các electron trong vật liệu. “Giờ chúng ta có thể mở cánh cửa dẫn đến thế giới các electron. Vật lý atto giây mang lại cho chúng ta cơ hội hiểu những cơ chế mà electron chi phối. Bước tiếp theo sẽ là sử dụng chúng”, Eva Olsson, Chủ tịch Hội đồng Nobel Vật lý, cho biết.

Trong cuộc sống, khi nhân loại đi dần tới những chân trời kiến thức: vô cùng lớn của vũ trụ, vô cùng nhỏ của thế giới vi hạt, vô cùng nhanh của các quá trình vật lý cấp độ nguyên tử, họ cần có những công cụ mới nhạy hơn, nhanh hơn, chính xác hơn để tìm hiểu sự kiện diễn ra chớp nhoáng.

Electron trở thành công cụ đặc biệt, đáp ứng mọi tiêu chí bởi giúp chúng ta có thể nắm bắt những khoảnh khắc đáng giá xảy ra trong chưa đầy một atto giây, đơn vị thời gian bằng một phần triệu của một giây. Nói một cách dễ hiểu, với atto giây, nếu bạn tạo ra một xung ánh sáng bình thường trong 1,28 giây, thì xung ánh sáng đó sẽ vươn tới mặt trăng. Trong khi đó, xung bức xạ tia X tạo ra trong 650 atto giây chỉ bằng vài phần tỷ mét, nghĩa là chỉ dài như một con virus!

Hành trình miệt mài

Theo AP, Pierre Agostini là giáo sư tại Đại học Bang Ohio, Columbus (Mỹ). Ferenc Krausz là giáo sư tại Đại học Ludwig Maximilian München (Đức). Anne L’Huillier là giáo sư tại Đại học Lund (Thụy Điển).

Năm 1987, Anne L’Huillier phát hiện ra rằng nhiều âm bội khác nhau của ánh sáng phát sinh khi bà truyền ánh sáng laser hồng ngoại qua một loại khí hiếm. Mỗi âm bội là một sóng ánh sáng có số chu kỳ nhất định cho mỗi chu kỳ trong ánh sáng laser.

Chúng được gây ra bởi ánh sáng laser tương tác với các nguyên tử trong chất khí; nó cung cấp thêm năng lượng cho một số electron, sau đó năng lượng này được phát ra dưới dạng ánh sáng, đặt nền móng cho những đột phá tiếp theo. Năm 2001, Pierre Agostini thành công trong việc nghiên cứu một loạt xung ánh sáng liên tiếp, trong đó mỗi xung chỉ kéo dài 250 atto giây. Đồng thời, Ferenc Krausz đang thí nghiệm về khả năng cô lập một xung ánh sáng duy nhất kéo dài 650 atto giây.

Đáng chú ý, nghiên cứu về electron có ứng dụng tiềm năng ở nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ, trong điện tử, điều quan trọng là phải hiểu và kiểm soát cách thức hoạt động của các electron trong vật liệu. Một trong các ứng dụng tiềm năng khác là trong sản xuất chất bán dẫn. Bên cạnh đó, các xung atto giây cũng có thể được sử dụng để nhận diện những phân tử khác nhau, chẳng hạn trong chẩn đoán y tế.

THƯ LÊ