Thế giới võ thuật, chỉ có nhanh chóng.
Đôi khi, chúng ta sẽ đặt một khoảng thời gian rất ngắn, được mô tả là "thời gian của một nhịp tim" và thời lượng của một nhịp tim là 10 mũ 18 của một giây.
Trong một thí nghiệm gần đây tương tự như chụp ảnh chuyển động tĩnh, một nhóm các nhà khoa học đến từ Hoa Kỳ và Đức lần đầu tiên đã chụp được "khung hình đóng băng" của các electron chuyển động trong nước lỏng theo thời gian thực và kết quả đã được công bố trên tạp chí Science.
Các chuyên gia của ban giám khảo giải thích kết quả nghiên cứu của những người đoạt giải Nobel Vật lý 2023 tại lễ công bố Giải Nobel Vật lý 2023 tại Stockholm, Thụy Điển, ngày 3 tháng 10 năm 2023
Theo các chuyên gia, kết quả này đánh dấu một tiến bộ lớn trong vật lý thực nghiệm, cung cấp một cánh cửa nhìn vào cấu trúc điện tử của các phân tử trong chất lỏng theo thang thời gian mà trước đây tia X không thể đạt được. Trước đây, các nhà khoa học chỉ có thể giải quyết chuyển động của electron ở thang thời gian pico giây (1 giây=1 nghìn tỷ pico giây). Giờ đây, khả năng nghiên cứu các phản ứng điện tử của tia X chiếu vào mục tiêu ở cấp độ atto giây cho phép các nhà nghiên cứu nghiên cứu sâu hơn các phản ứng hóa học do bức xạ gây ra nhanh hơn một triệu lần so với các phương pháp trước đây.
Mọi dấu hiệu đều cho thấy tia laser atto giây có thể là chìa khóa để mở khóa thế giới điện tử bí ẩn.
"atto giây" là gì?
Đối với người bình thường, atto giây là một khái niệm vô cùng xa lạ.
Trên thực tế, ngay từ thời Chiến Quốc, nhà tư tưởng nổi tiếng của Trung Quốc, thi thể Kao đã đưa ra "bốn mặt trên dưới nói Yu, cổ đại và hiện đại nói Zeus," cái nhìn đơn giản về không gian và thời gian. Cho đến ngày nay, đi đầu trong nghiên cứu vật lý, không gian và thời gian vẫn là hai chiều quan trọng và cơ bản nhất.
Theo giác quan của con người, khi một vật chuyển động nhanh, hình ảnh của nó bị mờ và chồng lên nhau, không thể quan sát được những thay đổi xảy ra trong một khoảng thời gian rất ngắn. Do đó, điều quan trọng đối với các nhà khoa học là phát triển các "cửa sổ thời gian" chính xác hơn để ghi lại hoặc mô tả những khoảnh khắc rất ngắn ngủi này.
Vào thế kỷ 19, có một câu hỏi được nhắc đến và tranh luận nhiều trong vật lý: khi một con ngựa chạy, liệu cả bốn chân có rời khỏi mặt đất cùng một lúc không?
Doanh nhân người Mỹ Leland Stanford rất quan tâm đến câu hỏi này. Để xác minh phỏng đoán này, ông đã tiếp cận nhiếp ảnh gia nổi tiếng Edvard Muybridge. Vào thời đó, chức năng quay video vẫn chưa ra đời, thời gian phản hồi của màn trập máy ảnh là 15 giây, thậm chí có khi lên đến một phút.
Ngựa sẽ không giảm tốc độ để đảm bảo màn trập máy ảnh và tiếng vó ngựa kêu lạch cạch của chúng là trở ngại lớn nhất cho việc xác minh giả thuyết này. Edvard Maibridge không dễ dàng bỏ cuộc, ông đã có ý tưởng sáng suốt, không chỉ cải tiến thiết kế màn trập máy ảnh mà còn đặt 12 máy ảnh và cơ chế trên đường băng. Bất cứ khi nào con ngựa đến gần máy ảnh, cơ chế này sẽ được kích hoạt và một bức ảnh sẽ được chụp. Cuối cùng, anh ghép 12 bức ảnh lại với nhau, đó là toàn bộ quá trình con ngựa chạy.
Nhìn vào những bức ảnh ghép, người ta sớm tìm ra câu trả lời cho câu hỏi: khi một con ngựa chạy, nó thực sự có thể ghi lại được khoảnh khắc - bốn chân của nó đồng loạt rời khỏi mặt đất.
Vào ngày 3 tháng 10 năm 2023, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển thông báo rằng họ đã trao Giải Nobel Vật lý năm đó cho Pierre Agostini, Ferenc Krauss và Anne Lhuillier vì “phương pháp thí nghiệm tạo ra xung ánh sáng atto giây để nghiên cứu động lực học của electron trong vật chất."
“Bây giờ chúng ta có thể mở cánh cửa đến với thế giới của các electron. Vật lý Atto giây đã cho chúng ta cơ hội hiểu được các cơ chế điều khiển điện tử. Bước tiếp theo sẽ là khai thác chúng”. Eva Olson, chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý, nói như vậy.
Khi các nhà khoa học nghiên cứu sâu hơn về thế giới của các electron, họ phát hiện ra rằng tốc độ thay đổi vị trí và năng lượng thay đổi trong khoảng từ một đến vài trăm atto giây, trong đó một atto giây là một phần tỷ giây. Công nghệ ánh sáng xung attosecond là thang đo thời gian nhanh nhất hiện nay của nhân loại, và nó giống như một chiếc thước kẻ, thước đo càng mịn thì độ chính xác của thước đo càng cao.
Yuan Lanfeng, Phó Giám đốc Khoa Truyền thông Khoa học và Công nghệ, Trường Khoa học Xã hội và Nhân văn, Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, cho rằng xung ánh sáng atto giây có thể được hiểu là nguyên lý của camera tốc độ cao, và rằng một Cần có camera có tốc độ phản ứng nhanh để ghi lại những khoảnh khắc tuyệt vời trong quá trình chuyển động của một người. Xung ánh sáng atto giây là "máy ảnh tốc độ cao" trong nghiên cứu phản ứng vi mô.
Trước đây, giới hạn thời gian của các xung laser là "femto giây", đủ để con người nhìn thấy các nguyên tử, nhưng đối với các electron, độ phân giải thời gian của "femto giây" quá thô đến mức, theo thang đo này, người ta chỉ có thể thu được một hiệu ứng giống như khảm. Tiến trình phát xung ánh sáng kết hợp từ Femto giây
Sự tiến triển của các xung ánh sáng kết hợp từ femto giây đến atto giây không chỉ là một tiến bộ đơn giản về thang thời gian mà quan trọng hơn là nó nâng cao khả năng của con người trong việc nghiên cứu cấu trúc của vật chất từ chuyển động của nguyên tử và phân tử đến bên trong nguyên tử, nơi họ có thể thăm dò chuyển động và hành vi tương quan của các electron, điều này sẽ dẫn đến một cuộc cách mạng lớn trong nghiên cứu vật lý cơ bản.
Attosecond sẽ mang lại điều gì cho người thường?
Một ngày nọ vào năm 1999, Ahmed Xavier, giáo sư tại Viện Công nghệ California, đã đoạt giải Nobel Hóa học cho phát hiện của mình. Nghiên cứu của Xavier vào những năm 1980, sử dụng chùm tia laser để quay phim dao động của các nguyên tử ở trạng thái chuyển tiếp, giúp các nhà khoa học quan sát được các nguyên tử, phân tử trong quá trình phản ứng hóa học ở dạng “chuyển động chậm”, từ đó nghiên cứu bản chất và cấu trúc của các nguyên tử và phân tử trong quá trình phản ứng hóa học. trạng thái chuyển tiếp. Vì lý do này, Xavier còn được mệnh danh là "cha đẻ của hóa học femto giây".
Kể từ đó, các nhà khoa học nhận ra rằng tia laser, giống như tia sét, có thể ghi lại những khoảnh khắc thoáng qua đó. Khám phá này đã cung cấp cơ sở lý thuyết cho một loạt các nghiên cứu mang tính đột phá.
Ngày nay, tốc độ của tia laser này đã được nâng lên hàng nghìn lần, thực hiện thành công sự thay đổi mạnh mẽ từ femto giây sang atto giây.
Ngày nay, khi nhắc đến laser femto giây, người ta thường nghĩ đến rất nhiều ứng dụng mà phẫu thuật cận thị bằng laser femto giây. Và khi nói đến laser attosecond, có vẻ khó có thể kết nối thuật ngữ này với đời sống sản xuất của người bình thường.
Yuan Lanfeng thẳng thắn nói: "Laze một giây hiện tại không được sử dụng nhiều, ứng dụng của nó chỉ mới bắt đầu, và tất cả vẫn còn bị mắc kẹt trong nghiên cứu cơ bản." Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là xung ánh sáng atto giây không có tiềm năng ứng dụng, “nó mở ra một cánh cửa, nhưng những gì đằng sau cánh cửa này vẫn cần chúng ta khám phá sâu hơn”. Anh ấy nói.
Vậy đằng sau cánh cửa đó là gì?
Hệ thống cắt đốt bằng trường xung được chụp ảnh tại gian hàng Medtronic trong khu vực Thiết bị y tế và Chăm sóc sức khỏe của Hội chợ lần thứ 6 vào ngày 5 tháng 11 năm 2023
"Chuyển động của điện tử chịu trách nhiệm tạo ra ánh sáng cũng như hình thành và phá vỡ các liên kết hóa học làm thay đổi cấu trúc của các phân tử sinh học và chức năng của chúng trong hệ thống sống, đồng thời xử lý thông tin nhanh nhất có thể... Ngày nay, chúng tôi đang sử dụng xung ánh sáng atto giây để hiểu rõ hơn về các quá trình vi mô liên quan đến điện tử, nguyên tử và phân tử và tìm hiểu xem chúng ảnh hưởng như thế nào đến thế giới vĩ mô." Trước đó, sau khi đoạt giải Wolf về Vật lý, Ferenc Krauss đã nêu giá trị ứng dụng của vật lý atto giây theo cách này.
Mặt khác, Eva Olson cho rằng vật lý atto giây cho chúng ta cơ hội hiểu được cơ chế điều khiển điện tử, mở đường cho những ứng dụng tiềm năng trong ngành thông tin điện tử và y học.
Wei Zhiyi, nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, tin rằng công nghệ này có thể được kết hợp với chất siêu dẫn, vật liệu nano, công nghiệp quang điện, dược phẩm, y học laser và các lĩnh vực khác để thúc đẩy sự hiểu biết sâu sắc hơn về cấu trúc. vật chất của nhân loại, điều này sẽ dẫn đến những tiến bộ mang tính cách mạng có liên quan.
Không còn nghi ngờ gì nữa, mặc dù ứng dụng hiện tại của vật lý atto giây vẫn còn xa vời so với trí tưởng tượng của một số người, nhưng nó có phạm vi ứng dụng vô cùng rộng rãi.
Nó cung cấp cho nhân loại một đôi “con mắt thông minh” để nghiên cứu thế giới vi mô.
Với sự hỗ trợ của nó, nhiều quá trình vi mô sẽ không còn cần phải xác nhận "bằng chứng tình huống" mà có thể quan sát trực tiếp: tia laser attosecond có thể được sử dụng để chụp ảnh nhiều quá trình chuyển động tốc độ cao, chẳng hạn như phản ứng hóa học, quy mô phân tử chuyển động và chuyển động ở quy mô nguyên tử.
Chụp ảnh các phản ứng hóa học bằng tia laser atto giây có thể giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cơ chế phản ứng và cải thiện hơn nữa các quá trình hóa học. Chụp ảnh chuyển động của các phân tử và nguyên tử bằng tia laser atto giây có thể tiết lộ sự tương tác và quá trình động học của chúng, những điều này rất quan trọng cho nghiên cứu về khoa học vật liệu và sinh học.
Ví dụ, trong lĩnh vực y sinh, công nghệ hình ảnh có độ phân giải cao của xung atto giây được kỳ vọng sẽ tăng cường chẩn đoán và điều trị bệnh sớm, đồng thời mang lại những bước đột phá mới cho nghiên cứu về ung thư, bệnh thần kinh và các thách thức y tế lớn khác.
Được biết, nhóm Ferenc Krauss cũng đang cố gắng sử dụng kỹ thuật femtosecond và attosecond để phân tích các mẫu máu và phát hiện những thay đổi nhỏ trong chúng. Họ đang phân tích xem những thay đổi này có đủ đặc hiệu để có thể chẩn đoán rõ ràng bệnh ở giai đoạn đầu của bệnh hay không, công nghệ này có thể có tác động đáng kể đến việc nghiên cứu bệnh ung thư và các bệnh khó chữa khác.
Sự tăng tốc của "kỷ nguyên atto giây"?
Năm 2021, tạp chí Science đã công bố “125 vấn đề khoa học tiên tiến nhất thế giới”, trong đó có hơn 10 vấn đề cần được giải quyết bằng khoa học cực nhanh. Sự xuất hiện của xung atto giây được kỳ vọng sẽ dẫn đến nhiều đổi mới độc đáo hơn trong một số lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng.
Tia laser atto giây không phải là món quà của thiên nhiên mà là một phép màu do con người tạo ra.
Nhà vật lý người Pháp Anne Lhuillier là người đầu tiên khám phá ra các công cụ để mở ra thế giới atto giây. Năm 1987, bà đang thực hiện thí nghiệm ion hóa khí, bước sóng 1064 nanomet của ánh sáng laser thành argon và một số loại khí hiếm khác, khí này có vẻ có màu khác so với các thí nghiệm trước đó.
Sau đó, cô đã xuất bản một bài báo quan trọng, khám phá hiện tượng sóng hài cao được tạo ra bởi sự chiếu xạ laser mạnh của khí hiếm và thu được cấu trúc quang phổ điển hình của sóng hài cao, độ rộng phổ của nó có thể hỗ trợ các xung theo thứ tự atto giây, cung cấp các điều kiện tiên quyết cho sự đột phá của xung laser tới atto giây. Kể từ đó, sự nghiệp nghiên cứu của bà và tia laser atto giây đã gắn bó chặt chẽ với nhau, và 16 năm sau, bà đã lãnh đạo một nhóm các nhà nghiên cứu lập kỷ lục thế giới về xung laser ngắn nhất 170 atto giây.
Hai nhà khoa học khác đoạt giải Nobel Vật lý cùng với bà cũng đã bổ sung thêm vào "tòa nhà atto giây": Ferenc Kraus người Hungary đã lãnh đạo một nhóm các nhà nghiên cứu tạo ra và đo xung ánh sáng atto giây đầu tiên vào năm 2001, và sử dụng nó để ghi lại xung ánh sáng atto giây chuyển động của các electron bên trong nguyên tử, đánh dấu sự ra đời của vật lý atto giây. Ngoài ra, nhóm của ông còn tìm cách cô lập các xung kéo dài 650 atto giây, lần đầu tiên các nhà khoa học đã theo dõi thành công sự tách electron khỏi nguyên tử. Người Pháp Pierre Agostini, người đi đầu trong lĩnh vực tương tác giữa các tia laser trường mạnh với các nguyên tử, và nhóm của ông đã đi tiên phong trong vật lý atto giây bằng cách tạo ra và đo các xung ánh sáng atto giây lần đầu tiên và sử dụng chúng để ghi lại chuyển động của các electron bên trong nguyên tử.
Ngày nay, ngày càng nhiều nhà khoa học đang cạnh tranh để giành vị trí hàng đầu trong lĩnh vực này ở nhiều nơi trên thế giới.
Trong phòng thí nghiệm, kết quả đạt được thường xuyên: vào năm 2022, các nhà nghiên cứu từ Đại học Michigan và Đại học Regensburg ở Đức đã hợp tác để ghi lại chuyển động của các electron trong vòng vài trăm atto giây, tốc độ nhanh nhất cho đến nay.
Cùng năm đó, một nhóm các nhà nghiên cứu từ Trung tâm Quang tử nâng cao tại Viện Khoa học và Hóa học RIKEN ở Nhật Bản và Đại học Tokyo đã hợp tác phát triển một loại giao thoa kế mới để xử lý các vân phát sinh do giao thoa quang học bắt nguồn từ xung atto giây. và sự giao thoa lượng tử với các trạng thái điện tử trong vật chất. Họ đã chứng minh tính khả thi của sơ đồ giao thoa kế bằng cách phân tách hậu sinh ra các xung hài hòa cao thông qua các thí nghiệm sử dụng mẫu nguyên tử helium.
Ngoài ra, việc xây dựng và cạnh tranh quốc tế cho cơ sở laser atto giây đã bắt đầu. Được ủng hộ bởi nhà vật lý đoạt giải Nobel Gérard Mourou và những người khác, Liên minh Châu Âu đã đi đầu ở Hungary trong việc xây dựng Cơ sở Ánh sáng Cực mạnh Châu Âu-Nguồn sáng Altosecond (ELI-ALPS), đồng thời đã thúc đẩy việc xây dựng các công ty nổi tiếng quốc tế như như Fastlite, Active Fiber và Chuyển đổi ánh sáng. Các công ty công nghệ laser như Fastlite, Active Fiber, Light Convert và các sản phẩm lặp lại và nâng cấp nổi tiếng quốc tế khác, công nghệ laser thế hệ mới này sẽ đóng một vai trò quan trọng trong sản xuất tiên tiến, khoa học và công nghệ quốc phòng và các lĩnh vực khác.
Tại Trung Quốc, các đơn vị nghiên cứu khoa học có liên quan đang tiến hành xây dựng cơ sở hạ tầng các nguồn sáng atto giây trên quy mô lớn, như Viện Vật lý thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc và Phòng thí nghiệm Vật liệu Hồ Songshan ở Đông Quan, tỉnh Quảng Đông, Hồ Songshan để xây dựng Trung tâm khoa học attosecond Điều này được hiểu rằng sau khi hoàn thành trung tâm này dự kiến sẽ đạt được các chỉ số toàn diện hàng đầu quốc tế.
