Tia laser thứ hai: Dành cho nhiếp ảnh điện tử điên rồ

Giống như việc chúng ta sử dụng ánh sáng để quan sát thế giới vĩ mô xung quanh mình, chúng ta cũng có thể sử dụng ánh sáng để thăm dò thế giới hạ nguyên tử. Nhưng phải tuân thủ một nguyên tắc: bất kỳ phép đo nào cũng phải nhanh hơn thời gian cần thiết để hệ thống đang nghiên cứu thay đổi đáng kể, nếu không thì chỉ có thể thu được những kết quả mơ hồ.
Trong một phân tử, các nguyên tử chuyển động theo thang thời gian femto giây (một phần nghìn tỷ giây, 10^-15 giây), vị trí và năng lượng của chúng thay đổi trong khoảng từ một đến vài trăm atto giây và để đo chuyển động của chúng, công nghệ femto giây "có thể không giúp được gì.
Một atto giây ngắn bao nhiêu? 1 atto giây là 10^-18 giây, tức là một phần tỷ của một phần tỷ giây. 1 atto giây tương đương với 1 giây tuổi của vũ trụ (13,8 tỷ năm). Một chùm ánh sáng truyền từ một phía của căn phòng tới bức tường đối diện mất 10 tỷ giây cung.
“Đời thực” của xung atto giây
Làm thế nào để bạn có được xung ánh sáng ở thang đo atto giây? Về mặt lý thuyết, các xung ánh sáng ngắn hơn có thể được tạo ra bằng cách kết hợp các xung laser có bước sóng ngắn của nhiều bước sóng.
Wei Zhiyi, nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, giải thích với phóng viên Nhật báo Khoa học và Công nghệ: “Để tạo ra các bước sóng mới không chỉ cần một ổ laser femto giây mà còn cần phải tập trung vào chất khí, thông qua sự tương tác giữa các nguyên tử ánh sáng và khí để tạo ra cái gọi là sóng hài cao, sóng hài cao là một chu kỳ trong tia laser truyền động, tạo ra hai chu kỳ của sóng."
Vào năm 1987, Lhuillier và các cộng sự đã tập trung một chùm tia laser hồng ngoại vào một chất khí trơ và nhận thấy rằng các sóng hài được tạo ra nhiều hơn và mạnh hơn những sóng hài được tạo ra trước đây bằng các ổ laser bước sóng ngắn hơn, và nhiều sóng hài quan sát được có cường độ ánh sáng tương tự.
Các nghiên cứu sâu hơn phát hiện ra rằng, trong những trường hợp thích hợp, các sóng hài chồng lên nhau để tạo ra một loạt xung laser trong dải tử ngoại, mỗi xung chỉ dài vài trăm atto giây.
Năm 2001, Agostini và các đồng nghiệp của ông ở Pháp đã thành công trong việc tạo ra một loạt chuỗi xung chỉ kéo dài 250 arsec. Ferenc Krauss và các cộng sự của ông ở Áo đã đi theo con đường khác, cô lập các xung ánh sáng đơn độc kéo dài 650 giây cung và sử dụng chúng để theo dõi và nghiên cứu quá trình “kéo” các electron ra khỏi nguyên tử.
"Đó là công việc của ba nhà khoa học này, được đại diện bởi các nhà nghiên cứu trong hơn một thập kỷ, thông qua sự khéo léo và nỗ lực không ngừng nghỉ, để đưa khoa học cực nhanh vào kỷ nguyên atto giây." Ngụy Trí Nghị nói.
Có triển vọng ở một số lĩnh vực, “thể hiện bản lĩnh”
Một con chim ruồi nhỏ có thể đập cánh 80 lần mỗi giây mà mắt người không thể nhìn thấy, nhưng với một chiếc camera tốc độ cao có thể đóng khung thành một khung hình hành động rõ ràng.
“Xung ánh sáng thứ hai chính xác là nghiên cứu về thế giới vật chất vi mô của ‘máy ảnh tốc độ cao’, có thể ‘hoành hành’ của electron đóng khung để quan sát.” Wei Zhiyi nói đầy hy vọng: “Nghiên cứu và tìm hiểu các electron ở quy mô thời gian ngắn (tính bằng atto giây) dự kiến ​​sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển nhanh chóng của thiết bị điện tử cực nhanh, một ngày nào đó có thể tạo ra các chip máy tính mạnh hơn. Nó cũng cho phép chúng ta phân biệt các phân tử dựa trên các đặc tính điện tử của chúng và sử dụng chúng để chẩn đoán bệnh nhanh chóng và chính xác."
Theo Wei Zhiyi, hiện nay, ngoài các nhóm nghiên cứu quốc tế nêu trên, một số nhóm nghiên cứu ở Mỹ, Canada, Ý, Thụy Sĩ, Nhật Bản, Hàn Quốc và các nước khác cũng đang tiến hành nghiên cứu về thế hệ loài người. xung atto giây và ứng dụng của chúng trong nhiều lĩnh vực như vật lý, hóa học và sinh học.
"Ví dụ: nhóm của Giáo sư Chang Zenghu tại Đại học Trung tâm Florida ở Hoa Kỳ đã lập kỷ lục thế giới về xung atto giây ngắn nhất hai lần, vào năm 2012 và 2017, và xung 43-atto giây do Viện Liên bang Thụy Sĩ tạo ra of Technology năm 2017 cho đến nay vẫn giữ kỷ lục thế giới về thời gian ngắn nhất. Đặc biệt, EU đã xây dựng Cơ sở ánh sáng cực tím (ELI-ALPS) ở Hungary, với thành phần chính là tia laser attosecond, để cung cấp cho các nhà khoa học trong các lĩnh vực khác nhau thực hiện nghiên cứu khoa học attosecond." Wei Zhiyi đếm kết quả trong lĩnh vực atto giây.
Nghiên cứu về xung ánh sáng atto giây cũng được các nhà khoa học Trung Quốc nhấn mạnh rộng rãi. Viện Vật lý của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, Viện Cơ học Quang học Thượng Hải, Viện Cơ học Quang học Tây An, Đại học Bắc Kinh, Đại học Sư phạm Hoa Đông, Đại học Công nghệ Quốc phòng, Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong và các đơn vị khác đang thực hiện nghiên cứu trong lĩnh vực khoa học atto giây. Năm 2013, nhóm của Wei Zhiyi lần đầu tiên ở Trung Quốc tạo ra và đo xung atto giây cô lập là 160 atto giây và hiện đang phát triển hơn nữa theo hướng có độ rộng xung ngắn hơn, năng lượng cao hơn và tần số lặp lại cao hơn, điều này sẽ tạo cơ hội cho các nhà khoa học Trung Quốc để phát triển laser atto giây của riêng họ. Kết hợp với thiết bị đầu cuối, nó cung cấp nền tảng và cơ sở hàng đầu quốc tế cho nghiên cứu laser atto giây trong các lĩnh vực vật lý vật chất ngưng tụ, vật lý nguyên tử và phân tử, hóa học, y sinh, thông tin và năng lượng.