Sau 55 năm, giải Nobel vật lý được trao cho nhà khoa học nữ
Donna Strickland, Gérard Mourou và Arthur Ashkin cùng chia giải Nobel vật lý 2018 cho nghiên cứu về chùm tia cường độ lớn được dùng để “bắt” các quá trình diễn ra cực nhanh và điều khiển các vật thể cực nhỏ.
Bộ ba nhà vật lý laser được trao giải thưởng cho những công trình nghiên cứu về những chùm tia cường độ lớn có khả năng bắt được các quá trình siêu nhanh và điều khiển các vật thể siêu nhỏ. Đó là Donna Strickland (trường đại học Waterloo, Canada) – nhà khoa học nữ đầu tiên giành giải thưởng này sau 55 năm. Bà chia giải thưởng cùng Gérard Mourou (trường đại học École Polytechnique, Palaiseau, Pháp), người thầy của bà. Một nửa giải thưởng thuộc về Arthur Ashkin (Phòng thí nghiệm Bell tại Holmdel, New Jersey).
Ảnh: Arthur Ashkin, Donna Strickland và Gérard Mourou. Nguồn: Nature.com
Strickland và Mourou đã đi tiên phong trong việc tạo ra những luồng xung ánh sáng [có độ rộng xung] ngắn nhất và có cường độ mạnh nhất từng được tạo ra. Những chùm tia này hiện được dùng trong nhiều lĩnh vực của khoa học nhằm làm rõ các quá trình xuất hiện một cách tức thời như sự chuyển động của các electron trong các hạt nhân cũng như trong phẫu thuật mắt bằng laser.
Ashkin được trao giải cho những phát triển mang tính tiên phong của các nhíp (gắp) quang học (optical tweezers), các chùm tia ánh sáng laser có thể “bắt” và kiểm soát các vật thể cực nhỏ như virus và tế bào.
“Trước hết, bạn thường nghĩ đó là điều điên rồ, đó cũng là suy nghĩ đầu tiên của tôi”, Strickland nói trong buổi công bố giải thưởng vào ngày 2/10. “Và bạn vẫn luôn tự hỏi liệu điều đó có là sự thật”.
Bài báo đặt nền tảng cho nghiên cứu giúp Strickland đoạt giải Nobel đã được xuất bản năm 1985, khi còn là nghiên cứu sinh. “Vô vàn những lĩnh vực ứng dụng từ nghiên cứu này vẫn còn chưa được khám phá hết”, theo thông cáo báo chí của Viện Hàn lâm Hoàng gia Thụy Điển. “Dẫu sao, giờ đây những phát minh đáng biểu dương này vẫn cho phép chúng ta tìm khắp thế giới vi mô với tinh thần cao quý nhất của Alfred Nobel – vì lợi ích to lớn dành cho loài người”.
Strickland là người phụ nữ thứ ba chiến thắng giải Nobel vật lý, sau Marie Curie năm 1903 và Maria Goeppert Mayer năm 1963.
Khi được hỏi về khía cạnh này của thành công, Stricland nói: “Tôi nghĩ số lượng các nhà vật lý nữ giành giải Nobel phải nhiều hơn. Rõ ràng là chúng ta cần biểu dương những người phụ nữ nghiên cứu vật lý và hi vọng là thời đại này, việc đó sẽ bắt đầu chuyển hướng nhanh hơn. Tôi không biết phải nói gì nhưng tôi thấy vinh dự vì là một trong số những người phụ nữ như vậy”.
Göran K. Hansson – tổng thư ký Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển, cho biết Viện đang “tiến hành các biện pháp đo lường” để khuyến khích nhiều hơn các ứng cử viên nữ “bởi chúng tôi không muốn để lỡ bất kỳ ai nữa”. Ông cũng cho biết thêm, các biện pháp đo lường không ảnh hưởng đến giải thưởng năm nay: “Quan trọng là chúng ta nhớ rằng giải Nobel được trao cho những khám phá và phát minh, và cho những người có nhiều đóng góp lớn lao cho loài người, đó là lý do vì sao họ được nhận giải thưởng”.
Dù có thời gian tồn tại ngắn ngủi, những xung laser đã cho phép các nhà khoa học theo dõi các quá trình kết thúc trong khoảng thời gian tương đương một nhịp tim. Nhưng trước khi có kỹ thuật mang tính cách mạng của Strickland và Mourou, cường độ của các xung laser bị giới hạn bởi công suất lớn của chúng có thể phá hủy bộ phận khuếch đại cần tiết để tạo ra cường độ cao.
Đột phá của họ là dùng một cách tử để kéo giãn một xung chùm laser trong chiều thời gian. Điều đó làm giảm bớt công suất của từng tia sáng và cho phép các bộ khuếch đại thông thường thúc đẩy chúng gia tăng cường độ, trước khi chùm xung này có thể được nén trở lại thành một xung ngắn và mạnh hơn – quá trình người ta vẫn gọi là Khuyếch đại xung chirp (Chirped Pulse Amplification).
Được phác thảo trong công bố năm 1985 của Strickland – bài báo khoa học đầu tiên của bà, những cải tiến dẫn đến kỹ thuật được áp dụng hiện nay cho phép các nhà khoa học tạo ra các luồng xung laser trên thang độ atto giây – phần tỷ tỷ giây. Giống như một video camera lia được nhiều khuôn hình mỗi giây, các luồng xung này có thể được dùng để nghiên cứu các quá trình tiến hóa cực nhanh như cơ chế hóa học của quang hợp và chuyển đông của các eletron bên trong các nguyên tử. Ngoài ra vì các xung lướt nhanh sẽ ít gây tổn hại đến vật thể hơn những xung chậm, các xung ánh sáng có bước sóng cực ngắn đã được dùng trong phẫu thuật mắt và đào các hố trong các vật liệu trữ dữ liệu, cho phép tăng hiệu quả ghi nhớ.
Nhíp quang học được ứng dụng trong phẫu thuật laser mắt. Nguồn: Nature.com
John Dudley– một nhà vật lý quang học tại trường đại học France-Comté ở Pháp, nhận xét, khuyếch đai xung chirp của Strickland và Mourou là đột phá ở cả khía cạnh tiên tiến về khoa học cơ bản và phát triển kỹ thuật. “Các giải Nobel được trao cho khám phá hoặc phát minh. Đây thực sự là cầu nối giữa hai loại đó”.
Dudley cho biết thêm: “Không ai trong số các nhà khoa học còn ở trong tháp ngà”. Ông lưu ý Mourou đã đóng vai trò lèo lái Extreme Light Infrastructure – một khối hợp tác khoa học cho sự phát triển của các cơ sở hạ tầng laser lớn.
Ông còn cho biết thêm là Mourou còn là một nhà thông thái, hay sáng tác nhạc và hết sức quan tâm đến con người.
Dudley nói, giải thưởng cũng là dấu hiệu cho thấy Strickland được ghi nhận cho nghiên cứu mà bà đã thực hiện khi còn là nghiên cứu sinh. Điều đó tương phản với trường hợp của Jocelyn Bell Burnell, nhà vật lý thiên văn người Anh đã khám phá ra các pulsar nhưng đã bị bỏ qua khi người thầy của bà được nhận giải Nobel năm 1974. “Thật tuyệt vời khi thấy ủy ban Nobel đã lắng nghe cộng đồng và phản ứng trái chiều để quyết định giải thưởng đúng thời điểm”, ông nói.
Ở tuổi 96, Ashkin là người nhiều tuổi nhất nhận giải Nobel. Công việc nghiên cứu về xung laser của ông bắt đầu sau phát minh về laser vào những năm 1960. Các tia laser được dùng để tạo ra áp lực nhẹ lên các vật thể nhỏ, khi Ashkin nhận thấy có thể dùng để điều khiển mà không ảnh hưởng đến chúng. Các thí nghiệm của ông với các hạt có kích thước siêu nhỏ vào những năm 1960 chứng tỏ các hạt được kéo tới vùng có cường độ cao trong một chùm tia. Điều đó dẫn đến cách sử dụng các chùm tia laser để bẫy, nâng và chuyển động các vật thể. Hiện giờ nó được biết đến dưới tên gọi nhíp quang, Askhin đã khám phá “các ngón tay” laser có thể bắt được vi khuẩn, virus và tế bào sống.
“Tôi hoàn toàn bị ông ấy thu hút. Ông ấy là một người rất dễ thương”, Miles Padgett – một nhà vật lý quang học tại trường đại học Glasgow, Anh cho biết.
Ông nói rằng phát minh của Ashkin đã được ghi nhận có tác động ở tầm toàn cầu và đăc biệt trong sinh vật lý. Ngày nay các cặp gắp quang học được dùng trong vô số ứng dụng, từ phân tích các tế bào máu sống từ một người bị lây nhiễm đến kỹ thuật trên các vật liệu ở cấp độ nano.
Padgett ủng hộ cách Ashkin cải thiện kỹ thuật này và làm cho các thiết bị ngày càng trở nên đơn giản hơn. “Tôi nghĩ thật tuyệt vời khi con người luôn lặn lội nghiên cứu. Luôn tiếp tục hoàn thiện nó để nó trở nên tốt hơn”.
Ông nói thêm là ông và nhiều người khác trong cộng đồng nghiên cứu về các nhíp quang học đã cho là Ashkin đã bị lỡ cơ hội vào năm 1997, khi Stephen Chu giành giải Nobel vật lý cho môt kỹ thuật có liên quan. “Tôi tưởng là ông ấy đã mất cơ hội”.
Anh Vũ dịch
TS. Nguyễn Trần Thuật (Trung tâm Nano và năng lượng, ĐHQGHN) hiệu đính
Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-018-06752-z
