Nobel Vật lý 2023: Công nghệ của tương lai

Chiều tối 3-10, giải Nobel Vật lý 2023 vinh danh ba nhà khoa học Mỹ, Đức và Thụy Điển đã khám phá ra công nghệ quang phổ atto giây, một ngành khoa học mới.

Ba nhà khoa học Pierre Agostini, Ferenc Krausz và Anne L’Huillier - Ảnh: Physics World

Giải đã được trao cho ba giáo sư: Pierre Agostini (ĐH bang Ohio, Mỹ), Ferenc Krausz (Viện nghiên cứu Max Planck, Đức) và Anne L'Huillier (ĐH Lund, Thụy Điển). 

Giải thưởng ghi nhận thành tựu của họ ở các phương pháp thực nghiệm tạo ra xung laser với thời gian siêu ngắn (atto giây) để nghiên cứu động lực học của electron trong nguyên tử, phân tử và vật chất ở trạng thái lỏng và rắn bằng phương pháp quang phổ atto giây.

Từ lý thuyết lượng tử đến công nghệ atto giây

Công nghệ atto giây có thể xem như một chiếc camera hành trình có độ phân giải thời gian cao, có khả năng chụp liên tiếp hàng tỉ tỉ tấm ảnh trong một giây. Mục đích của nó là để quan sát những tương tác giữa ánh sáng và vật chất thông qua chuyển động của các electron và năng lượng do chúng tạo ra.

Các công nghệ laser cho đến ba thập kỷ trước tuy có thể đạt độ phân giải thời gian đến vài phần triệu tỉ giây, nhưng tốc độ của các xung ánh sáng này vẫn chưa đủ để thực hiện các đo lường động lực học cho electron.

Công nghệ quang phổ atto, hay còn gọi là vật lý atto, có thể rút ngắn thời gian giữa các xung ánh sáng này xuống còn vài chục atto giây (một phần triệu tỉ tỉ giây), nhỏ hơn gần một ngàn lần so với các công nghệ laser trước đó.

Công nghệ atto được phát minh dựa trên lý thuyết lượng tử về chuyển động điều hòa của electron với tốc độ cực cao (HHG). Bằng cách chiếu một xung laser vào các nguyên tử, các electron bị ion hóa, bứt phá ra khỏi "hàng rào" thế năng của nguyên tử và thoát ra ngoài để trở thành điện tử tự do.

Với năng lượng lớn được cung cấp bởi các xung laser, các electron bứt tốc ra khỏi nguyên tử mẹ và sau đó bị đẩy lùi ngược lại. Trong thời gian này, electron nhận được nguồn năng lượng lớn từ nguồn laser dưới dạng động năng. Khi các electron bị đẩy trở lại, chúng có thể kết hợp lại nguyên tử mẹ, giải phóng động năng thu được dưới dạng ánh sáng.

Sóng ánh sáng từ năng lượng giải phóng bởi các electron mang cùng pha và cùng tần số mang giá trị bằng một số nguyên lần tần số của laser ban đầu. Do đó, xung ánh sáng tạo thành có năng lượng và tốc độ cao hơn nhiều lần nguồn laser ban đầu.

Các mô hình của lý thuyết HHG được đề xuất từ thập niên 1960 và ngày càng được hoàn thiện nhờ các nhà vật lý lượng tử. Từ những mô hình này, trong thập niên 1990, giáo sư Anne L'Huillier và đồng nghiệp tìm ra phương pháp tạo ra công nghệ laser atto giây. Cũng trong cùng khoảng thời gian này, ông Agostini và cộng sự thực hiện nghiên cứu nguyên lý điều chế tần số cho phép đo lường thời lượng của một chuỗi xung atto giây.

Chủ trì một nhóm nghiên cứu độc lập khác từ Vienna (Áo) và hợp tác với nhóm nghiên cứu của GS Mauro Nisoli ở Milan, GS Krausz đã tìm ra những kỹ thuật để tạo ra những xung laser ngắn kỷ lục.

Năm 2001, quang phổ atto giây được điều khiển bởi tia laser hồng ngoại đã được quan sát ở ĐH Paris-Saclay và ĐH Vienna. Tại Paris-Saclay, ở cùng trung tâm nghiên cứu nơi lý thuyết HHG được phát triển, nhóm nghiên cứu của ông Agostini đã tạo ra một chuỗi xung có thời lượng 250 atto giây. Trong khi đó ở Vienna, nhóm của GS Krausz đã sản xuất được các xung có thời lượng 650 atto giây.

Ứng dụng rộng rãi trong khoa học

GS Krausz cho rằng công nghệ atto giây đã bắc chiếc cầu nối sự hợp tác giữa quang học và vật lý hạt. Các xung electron và photon atto giây từ các tương tác vật chất-laser và các thiết bị của máy gia tốc hạt sẽ bổ sung cho nhau một cách lý tưởng để quan sát tức thời các electron, nắm bắt và điều khiển các chuyển động của chúng với độ chính xác đến từng giây ở quy mô nguyên tử và hạ nguyên tử.

Việc nghiên cứu chuyển động vi mô của các electron giúp cải tiến công nghệ nguồn tia X nhỏ gọn, cũng như tạo ra thiết bị điện tử và bộ lưu trữ từ tính đến các kích thước nhỏ và tốc độ cao hơn bao giờ hết.

Trong lĩnh vực hóa học và y sinh, việc quan sát và kiểm soát động lực học của electron đóng vai trò quan trọng trong việc kích hoạt các phản ứng hóa học, truyền tín hiệu sinh học, cũng như phát hiện các cơ chế hư hỏng và sửa chữa của ADN và góp phần nghiên cứu sự phá hủy do bức xạ gây ra đối với vật chất sinh học trong chẩn đoán và điều trị ung thư.

Do đó khoa học atto giây không chỉ tạo ra một cuộc cách mạng lớn trong nghiên cứu vật lý, mà còn trong hóa học, cũng như công nghệ vật liệu, công nghệ thông tin và y sinh học.

Nguồn: Báo Tuổi trẻ Online

---