Sử dụng dao động của nguyên tử để kiểm soát chuyển pha
Các nhà nghiên cứu tại trường đại học Göttingen và Viện nghiên cứu Hóa học lý sinh Max Planck mới thành công tạo màng và kiểm soát các phản ứng hóa học với những tia sáng ngắn cho một chất rắn.
Sự chuyển pha của các nguyên tử indium trên một tinh thể silicon được kiểm soát bằng các xung ánh sáng. Nguồn: TS. Murat Sivisa
Mục đích của “hóa học femto” là tạo màng và kiểm soát các phản ứng hóa học với những tia sáng ngắn. Việc sử dụng các xung laser một cách liên tục có thể làm kích thích hoặc phá vỡ, các liên kết nguyên tử như mong muốn của các nhà nghiên cứu. Từ trước đến nay, phương pháp này đã được sử dụng cho các phân tử chọn lọc. Các nhà nghiên cứu tại trường đại học Göttingen và Viện nghiên cứu Hóa học lý sinh Max Planck mới thành công trong việc chuyển nguyên tắc này cho một chất rắn, kiểm soát cấu trúc tinh thể trên bề mặt của nó. Kết quả này mới được xuất bản trên Nature với tiêu đề “Coherent control of a surface structural phase transition”
Nhóm nghiên cứu do tiến sĩ Jan Gerrit Horstmann và giáo sư Claus Ropers dẫn dắt, hóa hơi một lớp màng indium cực mỏng vào một tinh thể silicon và sau đó làm lạnh tinh thể xuống âm 220oC. Trong khi các nguyên tử indium hình thành các chuỗi kim loại trên bề mặt ở nhiệt độ phòng, chúng tự động tái sắp xếp chính mình thành các hình lục giác cách điện tại những mức nhiệt độ thấp hơn. Quá trình này được biết đến như sự chuyển pha giữa hai pha – kim loại và chất cách điện – và có thể được chuyển bằng các xung laser. Trong thực nghiệm của mình, các nhà nghiên cứu đã rọi sáng bề mặt lạnh với hai luồng xung laser ngắn và sau đó lập tức quan sát sự sắp xếp các nguyên tử indium bằng việc sử dụng một chùm tia điện tử. Họ tìm thấy tiết điệu của các xung laser có ảnh hưởng đáng kể lên bề mặt để có thể chuyển nó thành trạng thái kim loại như thế nào.
Hiệu ứng này có thể được giải thích bằng các dao động của những nguyên tử trên bề mặt như tác giả thứ nhất Jan Gerrit Horstmann giải thích: “Theo thứ tự để chuyển từ một trạng trái này sang trạng thái khác, các nguyên tử này phải chuyển động theo các hướng khác nhau và cũng làm như vậy khi vượt qua một sườn đồi, tương tự như khi ta đi tàu lượn siêu tốc. Một xung laser đơn lẻ không đủ làm được điều đó và các nguyên tử hiếm khi chuyển qua và lại. Nhưng giống như một chuyển động lắc dọc, một xung thứ hai vào đúng thời điểm có thể đem đến mức năng lượng gần đủ đến hệ này để có thể đủ sức tạo ra chuyển pha”. Trong thí nghiệm của mình, các nhà vật lý đã quan sát phần lớn các dao động của những nguyên tử, vốn ảnh hưởng đến quá trình chuyển đổi này theo những cách hết sức khác nhau.
Phát hiện của họ không chỉ đem lại những kiến thức cơ bản mới về những thay đổi cấu trúc nhanh mà còn mở ra những tầm nhìn mới cho vật lý bề mặt. “Các kết quả của chúng tôi chứng tỏ những chiến lược mới về kiểm soát quá trình chuyển đổi của năng lượng ánh sáng ở cấp độ nguyên tử”, Ropers từ Khoa Vật lý trường đại học Göttingen và đồng thời là giám đốc Viện Hóa lý sinh Max Planck, đánh giá. “ Việc kiểm soát đích các chuyển động của những nguyên tử trong chất rắn bằng việc sử dụng các dãy xung laser có thể khiến có thể tạo ra những cấu trúc không thể tạo được ra trước đây với những đặc tính hóa học và vật lý hoàn toàn mới.
Thanh Phương dịch
Nguồn: https://phys.org/news/2020-07-physicists-oscillations-atoms-phase-transition.html
