Giải Nobel Vật lý 2023 vinh danh 3 nhà vật lý lượng tử với thí nghiệm ánh sáng ghi lại khoảnh khắc ngắn nhất

Phương pháp tạo ra xung ánh sáng cực ngắn để đo quá trình chuyển động của electron

Ngày 3/10, Viện Hàn lâm Khoa học Hoàng gia Thụy Điển đã công bố Giải Nobel Vật lý 2023 cho thí nghiệm ánh sáng ghi lại những khoảnh khắc ngắn nhất của 3 nhà khoa học: Giáo sư, Tiến sĩ Pierre Agostini đến từ Đại học Bang Ohio (Mỹ); Giáo sư, Tiến sĩ Ferenc Krausz đến từ Viện Quang học lượng tử Max-Planck và Trường Đại học Ludwig Maximilian München (Đức); Giáo sư, Tiến sĩ Anne L'Huillier đến từ Trường Đại học Lund (Thụy Điển).

Công trình của họ mang lại cho nhân loại những công cụ mới để khám phá thế giới electron bên trong nguyên tử và phân tử. Họ đã chứng minh được một phương pháp tạo ra những xung ánh sáng cực ngắn có thể dùng để đo những quá trình diễn ra nhanh chóng khi các electron chuyển động hoặc thay đổi năng lượng.

Các sự kiện chuyển động nhanh đan xen vào nhau khi được con người cảm nhận, giống như một bộ phim bao gồm các hình ảnh tĩnh được cảm nhận là chuyển động liên tục. Nếu muốn tìm hiểu những sự kiện "siêu" ngắn, chúng ta cần có công nghệ đặc biệt. Trong thế giới của các electron, những thay đổi xảy ra trong vài phần mười Atto giây. Atto giây là một đơn vị thời gian trong Hệ đơn vị quốc tế. 1 Atto giây bằng 1×10⁻¹⁸ giây - một khoảng thời gian nhỏ không thể tưởng tượng được. Một chuyển electron giữa hai nguyên tử trong khoảng 320 Atto giây.

Thí nghiệm của 3 nhà khoa học đã tạo ra các xung ánh sáng cực ngắn được đo bằng Atto giây, do đó chứng tỏ rằng các xung này có thể được sử dụng để cung cấp hình ảnh về các quá trình bên trong nguyên tử và phân tử.

Năm 1987, Giáo sư Anne L'Huillier phát hiện ra rằng nhiều âm bội khác nhau của ánh sáng phát sinh khi bà truyền ánh sáng laser hồng ngoại qua một loại khí hiếm. Mỗi âm bội là một sóng ánh sáng có số chu kỳ nhất định cho mỗi chu kỳ trong ánh sáng laser. Chúng được tạo ra bởi ánh sáng laser tương tác với các nguyên tử trong chất khí; cung cấp thêm năng lượng cho một số electron, sau đó năng lượng này được phát ra dưới dạng ánh sáng. Bà Anne L'Huillier đã tiếp tục khám phá hiện tượng này, đặt nền móng cho những đột phá tiếp theo.

Năm 2001, Giáo sư Pierre Agostini đã thành công trong việc tạo ra và nghiên cứu một loạt xung ánh sáng liên tiếp, trong đó mỗi xung chỉ kéo dài 250 Atto giây. Đồng thời, Ferenc Krausz đang làm việc với một loại thí nghiệm khác, một loại thí nghiệm có thể cô lập một xung ánh sáng duy nhất kéo dài 650 Atto giây.

Những đóng góp của 3 nhà Vật lý đã cho phép nghiên cứu các quy trình diễn ra nhanh đến mức trước đây con người không thể theo dõi được.

"Bây giờ con người có thể mở cánh cửa đến thế giới electron. Vật lý Atto giây cho chúng ta cơ hội hiểu được các cơ chế chịu sự chi phối của các electron. Bước tiếp theo sẽ là sử dụng chúng", bà Eva Olsson - Chủ tịch Ủy ban Nobel Vật lý, cho biết.

Kết quả nghiên cứu đột phá này có những ứng dụng tiềm năng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Ví dụ, trong khoa học điện tử, điều quan trọng là phải hiểu và kiểm soát cách thức hoạt động của các electron trong vật chất. Xung Atto giây cũng có thể được sử dụng để xác định các phân tử khác nhau, chẳng hạn như trong chẩn đoán y tế.