Giải đoán động lực va chạm của chất rắn ở mức attosecond
Một nhóm nghiên cứu quốc tế từ Đức, Trung Quốc, Israel và Việt Nam đã giải đoán được động lực va chạm của các electron với các nguyên tử ở vùng lân cận trong chất rắn ở quy mô thời gian attosecond. Với phát hiện này, họ là nhóm đầu tiên trên thế giới nhận diện được cấu trúc và động lực của thông tin đã biết được mã hóa trong cấu trúc dải.
Nghiên cứu của họ “Neighboring Atom Collisions in Solid-State High Harmonic Generation” đã được xuất bản trên tạp chí Ultrafast Science. TS. Huỳnh Thanh Đức (Trung tâm Vật lý, Viện Cơ học và Tin học ứng dụng, Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam) là thành viên Việt Nam duy nhất trong nhóm.
Trong các mô phỏng của mình, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào phát xạ sóng hài bậc cao (HHG). Trong lĩnh vực vật lý chất rắn, thuật ngữ này được sử dụng để biểu thị một dạng rất đặc biệt của dao động ở một số mức cao hơn so với tần số cơ bản. Vai trò quan trọng của phát xạ sóng hài bậc cao trong nghiên cứu này nằm ở chỗ nó có thể tạo ra các xung ở quy mô thời gian attosecond, vốn được cho là “máy ảnh có tốc độ nhanh nhất thế giới” bởi sử dụng quang phổ để hiển thị chuyển động của các electron. Một attosecond là một phần tỉ của một phần tỉ một giây, hay 1 attosecond tương đương 1×10−18 một giây. Vì vậy, nếu trong trường hợp một attosecond tương đương với một giây thì một giây bằng độ tuổi của vũ trụ này.
Chỉ cho đến gần đây thì người ta mới quan sát được HHG trong các chất rắn ở dạng tinh thể, mở ra tiềm năng về cho các nguồn ánh sáng attosecond compact và xác định cấu trúc dải của các vật liệu rắn. Cấu trúc dải được miêu tả là trạng thái của các electron và các lỗ trong chất rắn tinh thể, cung cấp thông tin về trạng thái của cấu trúc electron, còn các lỗ trống như các vật mang điện tích dương của các chất bán dẫn…
Rất nhiều vấn đề của HHGs trong chất rắn vẫn còn chưa được hiểu một cách đầy đủ”, giáo sư Torsten Meier của ĐH Paderborn, trả lời. Đó là những gì mà nhóm nghiên cứu muốn thay đổi. Meier đã miêu tả mô phỏng của nhóm. “Nói một cách đơn giản, đó là các điện trường mạnh đặt vào các nguyên tử của một tinh thể đã tạo ra các điện tích di chuyển và các lỗ trống cùng lúc. Bức xạ xuất hiện khi các electron và các lỗ gặp nhau trong không gian – đó là sự va chạm – và phá hủy lẫn nhau. Đó là những gì chúng tôi muốn tái tổ hợp. Tương tự, chúng tôi quan tâm đến địa điểm diễn ra sự tái tổ hợp, và cách các electron và các lỗ chuyển động bên trong tinh thể. Chúng tôi đã có thể chứng minh bức xạ đã đem lại những thông tin quan trọng về cấu trúc dải, hay nói cách khác là về phạm vi liên kết và chuyển động bên trong tinh thể”.
Bằng việc phân tích các HHG sinh ra trong chất rắn, các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc giải đoán động lực của các va chạm đã được mã hóa trong cấu trúc giải. Vì vậy về nguyên tắc thì các HHG sẽ đem lại một sự kết thúc va chạm. Giáo sư Xiaohong Song, một thành viên của nhóm nghiên cứu nói rằng: “Trong một thời gian dài, các nhà khoa học đã mơ về việc có được thông tin về nội cấu trúc và động lực học siêu nhanh. Thông thường chúng tôi không thể quan sát được dạng thông tin này một cách trực tiếp – nhưng các thiết bị quang phổ độ phân giải cao đã khiến cho việc này trở thành có thể. HHG đã chứng minh nó là một công cụ hữu dụng. Các electron có thể được phát ra bằng việc sử dụng các trường laser cường độ cao để kích thích một vật liệu, kết quả là dẫn đến bức xạ ở quy mô attosecond. Nếu electron va chạm với lỗ trống liên kết với nó trong một số điều kiện nhất định, các photon năng lượng cao, hoặc sóng hài cao, sẽ được phát ra. Các photon là những hạt ánh sáng nhỏ nhất tạo nên bức xạ điện từ”.
Các photon này lưu giữ thông tin cấu trúc và động lực học của các cặp electron – lỗ. Quang phổ HHG đã hiển thị mối quan hệ trực tiếp giữa các quá trình động lực của electron và lỗ. Hơn nữa, các nhà khoa học đã chứng tỏ sự va chạm giữa electron – lỗ và các nguyên tử lân cận phụ thuộc vào xung mà chúng nhận được từ trường laser.
Công trình của nhóm nghiên cứu đã chứng tỏ thông tin va chạm được mã hóa trong cấu trúc dải. Họ đã thiết lập được một bản đồ rõ ràng giữa cấu trúc dải electron – lỗ và phổ sóng hài. Những kết quả này không chỉ đem đến một bức tranh thống nhất cho các quan sát thực nghiệm mà còn cải thiện thêm hiểu biết để có thể giúp thiết kế được bức xạ và có thể tạo ra những xung attosecond ngắn. □
Anh Vũ dịch
Nguồn: https://www.eurekalert.org/news-releases/934632
