Giải Nobel Vật lý cho những xung ánh sáng siêu ngắn giúp nhìn gần hơn các hạt electron

Pierre Agostini (ĐH bang Ohio, Mỹ), Ferenc Krausz (Viện NC Max Planck, Đức) và Anne L’Huillier (ĐH Lund, Thụy Điển) đã được trao giải Nobel Vật lý cho những xung ánh sáng siêu ngắn giúp nhìn gần hơn các hạt electron.

Vật lý atto giây cho phép các nhà khoa học nhìn vào các hạt vô cùng nhỏ tại các thang thời gian ngắn nhất (một atto giây bằng một 10-18 giây hoặc một phần tỷ nano giây). Những người chiến thắng đều phát triển các thực nghiệm có thể tạo ra những xung laser siêu nhanh, vốn có thể dùng để nhìn vào thế giới ở các quy mô nhỏ nhất và có những ứng dụng khắp lĩnh vực vật lý, sinh học và vật lý.

Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã quyết định trao giải Nobel Vật lý 2023 cho Pierre Agostini, Ferenc Krausz và Anne L’Huillier “cho những phương pháp thực nghiệm tạo ra những xung ánh sáng ở mức atto giây để nghiên cứu động lực học electron trong vật chất”.

L’Huillier đang lên lớp khi bà nhận được cuộc gọi cho biết bà là một trong những người đoạt giải. “Đến lúc đó thì không còn có thể giảng bài nữa”, bà nói trong một buổi họp báo về giải thưởng. “Như anh biết đấy, không có nhiều phụ nữ nhận được giải Nobel, vì vậy nó rất đặc biệt”.

“Năng lực tạo ra các ánh sáng atto giây đã mở ra cánh cửa ở thang thời gian siêu nhỏ và cũng mở cánh cửa bước vào thế giới các electron”, Eva Olsson, Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý, nói trong cuộc họp báo ở Thụy Điển. “Trở lại năm 1925, Werner Heisenberg từng cho là không thể nhìn thấy thế giới này. Nhờ có vật lý atto giây, điều này đã bắt đầu thay đổi”.

Mauro Nisoli, một nhà kỹ thuật điện nghiên cứu về atto giây tại ĐH Bách khoa Milan, Ý, nói sự lựa chọn của Ủy ban Nobel năm nay khiến ông “rất hạnh phúc”. Những người thắng giải đều “rất xứng đáng”, Marc Vrakking, một nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Quang học phi tuyến và Kính hiển vi xung ngắn Max Born ở Berlin, nói. “Hết người này đến người khác, họ đã có những đóng góp rất lớn cho lĩnh vực này”. Khi công bố giải thưởng, Vrakking và những chuyên gia khác trong lĩnh vực này đang dự một hội thảo về khoa học atto giây ở Barcelona, Tây Ban Nha. “Từ khoảnh khắc này, không ai có thể thực sự nghe được người khác nói gì nữa”.

Vrakking cho biết thêm là ông ngạc nhiên khi Ủy ban giải thưởng lại chỉ lựa chọn các nhà vật lý thực nghiệm bởi lĩnh vực này “có thể không bao giờ phát triển theo cách này nếu không có những đóng góp quan trọng từ các nhà lý thuyết”, ông nói.

L’Huillier, giờ làm việc tại ĐH Lund Thụy Điển, là người phụ nữ thứ năm nhận giải Nobel Vật lý. “Đây là vinh dự bậc nhất mà tôi vô cùng hạnh phúc khi nhận giải thưởng này. Thật không thể tin được”, bà nói trong cuộc họp báo. “Không có nhiều nhà khoa học nữ từng nhận giải thưởng này, điều đó thật đặc biệt”. Ủy ban Nobel đăng một bức ảnh của L’Huillier đang nghe điện thoại lên tài khoản trên mạng xã hội X của mình. Dù L’Huillier nói rằng thời khắc đó là thời khắc bí mật và không cho phép sinh viên biết điều gì đang diễn ra nhưng họ đã đoán ra.

Agostini, giáo sư hồi hưu tại ĐH bang Ohio, Mỹ do Ủy ban giải thưởng không có cách nào liên lạc với ông nên chỉ biết được thông tin khi giải thưởng được loan báo ra toàn thế giới. “Tôi không hề nhận được cuộc gọi nào. Có lẽ không phải sự thật. Tôi không biết”, ông vừa cười vừa nói với AP. “Tôi nghĩ Ủy ban giải thưởng đang tìm kiếm tôi ở thế giới mới”.

“Tất nhiên có những người trẻ đánh giá giải thưởng cao hơn tôi rất nhiều”, vị giáo sư tuổi 82 hài hước nói. “Ừ nó cũng tốt nhưng lại hơi chậm đối với tôi. Nhưng tôi không nghĩ là mình xứng đáng nhận được nó sớm hơn”.

Krausz, ở Viện Quang lượng tử Max Planck Munich, nói rằng ông hơi hoang mang. “Tôi đang cố trấn tĩnh với cuộc gọi từ lúc 11 giờ… liệu mình có đang tỉnh không hay chỉ là một giấc mơ dài?”, nhà vật lý 61 tuổi nói.

Năm ngoái, Krausz và L’Huillier giành giải Wolf Vật lý cùng với Paul Corkum của ĐH Ottawa. Do giải Nobel chỉ giới hạn ở con số ba người và Krausz nói rằng hơi xấu hổ khi không có Corkum trong danh sách giải thưởng bởi Corkum là người quan trọng để đo đạc được các chùm laser ở tốc độ siêu nhanh.

Khoa học atto giây

“Hãy để ý một giây, đó là thời gian của một nhịp tim”, Eva Olsson nói. Nhà vật lý Mark Pearce, một thành viên của Ủy ban Nobel, thì cho là nhiều atto giây trong một giây như những giây đã trôi qua kể từ vụ nổ Big Bang, 13,8 tỉ năm trước”.

Nhưng ngay cả khi các nhà khoa học “thấy” được electron, những gì họ có thể thấy vẫn còn chưa đủ tinh tế. “Anh có thể thấy bên này hay bên kia của một phân tử nhưng vẫn còn rất mờ nhòe”, L’Huillier, ở tuổi 65, nói. “Các electron giống như sóng nhiều hơn, như các sóng nước, hơn là các hạt và những gì chúng tôi cố gắng đo đạc bằng kỹ thuật của mình là vị trí của đỉnh các con sóng này”.

Các vật thể chuyển động quá nhanh nên khi chụp ảnh, nó chỉ là một bức ảnh của một dải ánh sáng. Một ánh sáng nhấp nháy siêu nhanh có thể khiến cho vật thể nhìn giống như đang bị đóng băng lúc chụp. Các xung ánh sáng atto giây hoạt động dựa trên cùng nguyên tắc, mở ra một thế giới hiệu ứng, dẫu trước đây người ta vẫn nghĩ là không thể nhìn thấy.

Các electron chuyển động nhanh đến mức mọi nỗ lực của con người để “giữ chân” nó đều vô hiệu, tuy nhiên việc nhìn vào nó ở một mảnh cực nhỏ của một giây thì có thể. Vì vậy các nhà khoa học có thể có một cái nhìn “mờ” về chúng và mở ra một thứ khoa học hoàn toàn mới. “Các electron đều chuyển động rất nhanh và các electron thực sự là một lực lượng lao động có mặt ở khắp mọi nơi “, Mats Larsson, thành viên của Ủy ban Nobel, nói. “Một khi anh kiểm soát được và hiểu các electron, anh có thể có một bước tiến lớn về phía trước”.

Câu chuyện về khoa học atto bắt đầu vào cuối những năm 1980, khi L’Huillier và cộng sự của bà tại một trung tâm nghiên cứu ở Paris-Saclay nghiên cứu về argon ion hóa. Khi họ đưa khí này vào tia laser hồng ngoại, nó tạo ra các photon mới trong một loạt tần số cao, nghĩa là từng photon đơn lẻ do argon phát xạ có những mức năng lượng cao hơn những photon khác trong tia laser kích hoạt chúng. Tất cả các tần số đó đều họa âm tia laser – giống như việc lặp lại cùng nốt trên piano nhưng ở những quãng tám cao hơn.

L’Huillier và những nhà nghiên cứu khác, bao gồm nhà vật lý Paul Corkum – sau đó làm việc ở Hội đồng nghiên cứu quốc gia của Canada ở Ottawa – đã nhanh chóng giải thích cách khí này tạo ra “hòa âm cao hơn đó”. Điều này dẫn đến sự khám phá ra hiện tượng mà người ta gọi là tái va chạm (recollision). Khi một sóng laser chiếu vào một nguyên tử, điện trường của sóng có thể xé toạc một electron, khiến cho một ion điện tích dương bật ra. Những nếu sóng đó ở tần số phù hợp, trường dao động một cách nhanh chóng ngay lập tức sẽ chuyển hướng, và đẩy electron trở lại với ion trước khi nó có đủ thời gian để di chuyển sang nơi khác. Electron thường có năng lượng nhiều hơn mức năng lượng để ion hóa nguyên tử lúc đầu và mức năng lượng dư này sau đó phát thải ra các photon mới có tần số cao hơn.

Khi nhận ra là những tần số cao hơn này có thể sử dụng để tạo ra những xung siêu ngắn, L’Huiller đã lập ra một chương trình gia tăng cường độ của hòa âm cao hơn. Năm 2001, một nhóm nghiên cứu do Pierre Agostini, cũng ở Paris-Saclay, là nhóm đầu tiên thành công tại mức chuyển lên sóng hài cao hơn thành các xung ở cấp độ atto giây. Điều cốt lõi của nó là Agostini đã phát triển một kỹ thuật đảm bảo độ bền của xung và xác nhận là chúng ở chế độ atto giây, điều chưa từng ai làm được trước đó.

Laser hội tụ

Ban đầu, các xung atto giây xuất hiện kế tiếp nhau với tốc độ rất nhanh, quá nhanh đến mức để cho ai đó sử dụng. Vì vậy để sử dụng chúng trong những thực nghiệm về những quá trình xảy ra ở thang độ atto giây, các nhà nghiên cứu cần tách các xung này. Việc này đòi hỏi bắt đầu từ những xung laser, vốn bản thân chúng cũng tồn tại ở mức vài nghìn atto giây. Krausz phát triển các kỹ thuật trong những năm 1990 với những đóng góp từ nhóm nghiên cứu của Nisoli ở Milan. Trong một thực nghiệm vào năm 2001 tại ĐH Vienna, Krausz kết hợp tia laser với khả năng sinh sóng hài cao để tạo ra các xung mà cuối cùng chỉ ở mức 650 atto giây – lần đầu phá vỡ mức 1.000 atto giây. “Ông ấy là người sớm nhất có được công nghệ laser tiên tiến này để thực hiện được khoa học atto giây theo cách lý tưởng nhất mà mọi người mong muốn”, Vrakking nói.

Trong những năm tiếp theo, nhóm của Krausz và những người khác sử dụng kỹ thuật này để thực hiện một loạt những thực nghiệm tiên phong về khoa học atto giây. Các nhà nghiên cứu đo đạc tốc độ của hiệu ứng quang điện, trong đó tia sáng xe toạc một nguyên tử. Các nhà vật lý đã biết quá trình phức tạp này và giả định là electron không giải phóng ngay lập tức nhưng khi khoa học atto giây chưa xuất hiện thì không có cách nào để đo đạc nổi khoảng thời gian thực tế của nó.

Ngay sau đó, các kỹ thuật được ứng dụng không chỉ có những nguyên tử mà còn cho các phân tử và ngay cả chất rắn và chất lỏng. Các xung atto giây có thể tiết lộ những gì xảy ra sau khi một phân tử mất một electron và bị ion hóa: các electron còn lại bắt đầu tái sắp xếp chính mình, “lâu trước khi hạt nhân nguyên tử nhận ra bất kỳ thay đổi nào”, Nisoli nói.

Bởi electron là yếu tố quan trọng để hiểu các nguyên tử liên kết với nhau như thế nào. Đó là nơi các phản ứng hóa học xuất hiện. “Ngay cả khi chúng ta chưa thấy được chúng thì các electron đã là những hợp phần quan trọng của sự sống – sự sống sinh học của chúng ta và sự sống kỹ thuật của chúng ta, trong thế giới hằng ngày”, Krausz nói trong một cuộc họp báo. “Trong sự sống sinh học của chúng ta, các electron hình thành lớp bám dính bên trong các nguyên tử, vốn hình thành các nguyên tử, những khối cơ bản nhỏ nhất trong mọi sinh vật sống”.

Và nếu anh không hiểu cách chúng hoạt động như thế nào, anh cần biết chúng chuyển động như thế nào”, Krausz nói.

Các nhà nghiên cứu giờ làm việc với việc mở rộng các kỹ thuật ở “hóa học atto”, lên kế hoạch để sử dụng các xung ánh sáng hướng dẫn sự hình thành và phá vỡ các liên kết theo cách chưa từng xảy ra một cách tự động.

Tại thời điểm này, khoa học attto là cách hiểu về vũ trụ chúng ta đang sống nhưng hy vọng của các nhà khoa học là cuối cùng có những ứng dụng thực tế trong điện tử, chẩn đoán bệnh tật và hóa học cơ bản. “Sự điều hướng từ nghiên cứu này vô cùng cơ bản – có thể là chúng tôi tạo ra những xung ngắn và những gì chúng tôi làm với nó”, L’Huillier nói. L’Huillier nói nghiên cứu của bà chứng tỏ tầm quan trọng của việc nghiên cứu khoa học cơ bản liên quan đến những ứng dụng tương lai: bà đã mất 30 năm để nghiên cứu về nó trước khi có thể sử dụng trong thế giới thực. “Mất rất nhiều thời gian để đến điểm mà chúng tôi bắt đầu thấy những ứng dụng trong y học, công nghệ bán dẫn và hóa học”.

L’Huillier là người phụ nữ thứ năm được trao giải Nobel Vật lý trong số 221 người thắng giải này: Marie Curie vào năm 1903 cho công trình về hiện tượng phóng xạ, Maria Goeppert-Mayer năm 1963 cho việc tháo gỡ một số chi tiết của cấu trúc nguyên tử, Donna Strickland vào năm 2018 cho công trình về vật lý laser và Andrea Ghez vào năm 2020 cho nghiên cứu về những lỗ đen siêu khối lượng.

Ngô Thành