Khoa học atto giây, nghiên cứu bằng tia laser về những gì xảy ra với vật chất trong khoảng thời gian rất ngắn, có thể dẫn đến những tiến bộ lớn trong việc hiểu biết của chúng ta về các quá trình nhanh nhất của tự nhiên.
Tín dụng: Pixabay/CC0 Public Domain
Nó có thể tăng cường khả năng giải quyết vấn đề của máy tính, phát triển các tế bào năng lượng mặt trời hiệu quả hơn, đồng thời xác định các phương pháp điều trị y tế mới và cải thiện quy trình chẩn đoán - tất cả đều là những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng khi chúng ta tìm kiếm giải pháp cho biến đổi khí hậu và những cách sáng tạo để chống lại bệnh tật.
Một atto giây tương đương với một phần tỷ của một phần tỷ giây. Khoa học atto giây—chủ đề của giải Nobel vật lý năm 2023—bao gồm việc sử dụng các xung ánh sáng laser cực ngắn, mạnh đến mức không thể tưởng tượng được để truyền nhiều năng lượng đến một vật liệu "mục tiêu". Điều này khiến vật liệu phát ra các hạt electron chuyển động rất nhanh cùng với ánh sáng cực tím và tia X—cho phép quan sát chuyển động của electron theo thời gian thực.
Các nhà vật lý như tôi sau đó có thể đo hoặc dự đoán cách các electron này di chuyển, điều mà thông thường không thể thực hiện được. Và bằng cách tạo ra các xung atto giây thậm chí còn ngắn hơn, chúng ta có thể có thêm thông tin về cách các electron hoạt động.
Electron là các hạt cực nhỏ—các khối xây dựng của vật chất—mang năng lượng trong các nguyên tử, phân tử sinh học (có thể hoạt động như thuốc mới), cấu trúc nano và kim loại. Kiểm soát cách electron di chuyển và ghi lại điều này trong hình ảnh có thể định hình lại hoàn toàn cách chúng ta nhìn nhận và tương tác với thiên nhiên. Khoa học atto giây đã tạo ra các nghiên cứu mới trong các lĩnh vực như attochemistry, attobiology và attomicroscopy.
Rút ngắn xung
Trong những năm gần đây, các xung laser được sử dụng trong khoa học atto giây đã trở nên ngắn hơn và các trường laser mạnh hơn. Kỷ lục thế giới về xung ánh sáng ngắn nhất là 43 atto giây, đạt được tại trường đại học ETH Zurich của Thụy Sĩ vào năm 2017.
Con số này đã phá vỡ kỷ lục 53 atto giây được lập trước đó vài tháng bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Trung Florida, những người đã tự phá kỷ lục thế giới hai lần trong năm năm trước đó.
Các xung atto giây cực ngắn này cũng mang nhiều năng lượng hơn, đặc biệt là khi được tạo ra bằng tia laser electron tự do, có thể tiếp cận các electron sâu bên trong lõi của các nguyên tử mà trước đây không thể tiếp cận được.
Khoa học attosecond cho phép các nhà khoa học thăm dò các nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử trong phạm vi điều kiện rộng hơn. Một nhóm ở Hàn Quốc đã báo cáo đạt được cường độ laser tương đương với việc lấy "toàn bộ ánh sáng mặt trời trên khắp hành tinh" và nén nó vào một khu vực "có kích thước bằng một tế bào hồng cầu".
Khám phá những thông tin mới nhất về khoa học, công nghệ và không gian với hơn 100.000 người đăng ký dựa vào Phys.org để có thông tin chi tiết hàng ngày. Đăng ký nhận bản tin miễn phí của chúng tôi và nhận thông tin cập nhật về các đột phá, đổi mới và nghiên cứu quan trọng—hàng ngày hoặc hàng tuần.
e-mail
Điều này có thể mở đường cho việc tạo ra các hạt hạ nguyên tử từ chân không chỉ bằng cách sử dụng ánh sáng—mang đến cho các nhà vật lý một cách mới để nghiên cứu các hạt này, các khối xây dựng nên vật chất trong vũ trụ của chúng ta.
Trong thập kỷ qua, khoa học attosecond cũng đã chuyển từ vật liệu mục tiêu là khí và phân tử nhỏ sang chất rắn và phân tử hữu cơ. Nhưng trường điện từ mạnh do tia laser tạo ra có thể thay đổi cấu trúc của mục tiêu hoặc thậm chí phá hủy chúng—do đó, đây có thể là một quá trình đầy thách thức đối với các nhà khoa học.
Trong các vật liệu như quang điện hữu cơ (được sử dụng trong pin mặt trời), có chứa các chất gốc carbon bao gồm nhựa, các electron sẽ tương tác với nhau và với môi trường xung quanh khi tiếp xúc với các xung atto giây.
Nghiên cứu hành vi này có thể giúp các nhà khoa học cải thiện công nghệ trong pin mặt trời: theo dõi những phần đầu tiên của giây sau khi ánh sáng chiếu vào pin có thể cho phép điều chỉnh các vật liệu trong pin, giúp tăng hiệu suất.
Khoa học attosecond có thể dẫn đến sự hiểu biết tốt hơn về quang hợp, nơi thực vật chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học để duy trì sự sống. Lĩnh vực này cũng có thể là chìa khóa để xây dựng máy tính quang điện tử, có tốc độ chuyển mạch (một thước đo khả năng phản ứng của chúng) nhanh hơn 100.000 lần so với các thiết bị điện tử kỹ thuật số hiện có.
Tốc độ chuyển mạch nhanh cho phép thiết bị thực hiện nhiều thao tác hơn mỗi giây, do đó có thể giúp máy tính chạy nhanh hơn.
Rút ngắn xung
Trong những năm gần đây, các xung laser được sử dụng trong khoa học atto giây đã trở nên ngắn hơn và các trường laser mạnh hơn. Kỷ lục thế giới về xung ánh sáng ngắn nhất là 43 atto giây, đạt được tại trường đại học ETH Zurich của Thụy Sĩ vào năm 2017.
Con số này đã phá vỡ kỷ lục 53 atto giây được lập trước đó vài tháng bởi các nhà nghiên cứu tại Đại học Trung Florida, những người đã tự phá kỷ lục thế giới hai lần trong năm năm trước đó.
Các xung atto giây cực ngắn này cũng mang nhiều năng lượng hơn, đặc biệt là khi được tạo ra bằng tia laser electron tự do, có thể tiếp cận các electron sâu bên trong lõi của các nguyên tử mà trước đây không thể tiếp cận được.
Khoa học attosecond cho phép các nhà khoa học thăm dò các nguyên lý cơ bản của vật lý lượng tử trong phạm vi điều kiện rộng hơn. Một nhóm ở Hàn Quốc đã báo cáo đạt được cường độ laser tương đương với việc lấy "toàn bộ ánh sáng mặt trời trên khắp hành tinh" và nén nó vào một khu vực "có kích thước bằng một tế bào hồng cầu".
Khám phá những thông tin mới nhất về khoa học, công nghệ và không gian với hơn 100.000 người đăng ký dựa vào Phys.org để có thông tin chi tiết hàng ngày. Đăng ký nhận bản tin miễn phí của chúng tôi và nhận thông tin cập nhật về các đột phá, đổi mới và nghiên cứu quan trọng—hàng ngày hoặc hàng tuần.
Điều này có thể mở đường cho việc tạo ra các hạt hạ nguyên tử từ chân không chỉ bằng cách sử dụng ánh sáng, mang đến cho các nhà vật lý một cách mới để nghiên cứu các hạt này, thành phần cấu tạo nên vật chất trong vũ trụ của chúng ta.
Trong thập kỷ qua, khoa học attosecond cũng đã chuyển từ vật liệu mục tiêu là khí và phân tử nhỏ sang chất rắn và phân tử hữu cơ. Nhưng trường điện từ mạnh do tia laser tạo ra có thể thay đổi cấu trúc của mục tiêu hoặc thậm chí phá hủy chúng—do đó, đây có thể là một quá trình đầy thách thức đối với các nhà khoa học.
Trong các vật liệu như quang điện hữu cơ (được sử dụng trong pin mặt trời), có chứa các chất gốc carbon bao gồm nhựa, các electron sẽ tương tác với nhau và với môi trường xung quanh khi tiếp xúc với các xung atto giây.
Nghiên cứu hành vi này có thể giúp các nhà khoa học cải thiện công nghệ trong pin mặt trời: theo dõi những phần đầu tiên của giây sau khi ánh sáng chiếu vào pin có thể cho phép điều chỉnh các vật liệu trong pin, giúp tăng hiệu suất.
Khoa học attosecond có thể dẫn đến sự hiểu biết tốt hơn về quang hợp, nơi thực vật chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng hóa học để duy trì sự sống. Lĩnh vực này cũng có thể là chìa khóa để xây dựng máy tính quang điện tử, có tốc độ chuyển mạch (một thước đo khả năng phản ứng của chúng) nhanh hơn 100.000 lần so với các thiết bị điện tử kỹ thuật số hiện có.
Tốc độ chuyển mạch nhanh cho phép thiết bị thực hiện nhiều thao tác hơn mỗi giây, do đó có thể giúp máy tính chạy nhanh hơn.
Mời các đối tác xem hoạt động của Công ty TNHH Pacific Group.
FanPage: https://www.facebook.com/Pacific-Group
YouTube: https://www.youtube.com/@PacificGroupCoLt
