Trong một thông báo trọng đại vào tối ngày 3 tháng 10 năm 2023, Giải Nobel Vật lý năm 2023 đã được công bố, vinh danh những đóng góp xuất sắc của ba nhà khoa học đóng vai trò tiên phong quan trọng trong lĩnh vực công nghệ laser atto giây.

Thuật ngữ "laser attogiây" bắt nguồn từ thang thời gian cực ngắn mà nó hoạt động, cụ thể là trong khoảng attogiây, tương ứng với 10^-18 giây. Để hiểu được tầm quan trọng sâu sắc của công nghệ này, việc nắm vững ý nghĩa của attogiây là vô cùng quan trọng. Attogiây là một đơn vị thời gian cực kỳ nhỏ, chiếm một phần tỷ của một phần tỷ giây trong bối cảnh rộng hơn của một giây. Để dễ hình dung, nếu ví một giây như một ngọn núi cao chót vót, thì một attogiây sẽ giống như một hạt cát nằm dưới chân núi. Trong khoảng thời gian ngắn ngủi này, ngay cả ánh sáng cũng khó có thể di chuyển một khoảng cách tương đương với kích thước của một nguyên tử. Thông qua việc sử dụng laser attogiây, các nhà khoa học có được khả năng chưa từng có để nghiên cứu và điều khiển động lực phức tạp của các electron trong cấu trúc nguyên tử, giống như một đoạn phim tua chậm từng khung hình trong một chuỗi phim điện ảnh, từ đó đi sâu vào sự tương tác giữa chúng.

Laser atto giâyChúng đại diện cho đỉnh cao của quá trình nghiên cứu sâu rộng và những nỗ lực phối hợp của các nhà khoa học, những người đã khai thác các nguyên lý quang học phi tuyến để chế tạo các laser siêu nhanh. Sự ra đời của chúng đã cung cấp cho chúng ta một góc nhìn đột phá để quan sát và khám phá các quá trình động diễn ra bên trong các nguyên tử, phân tử và thậm chí cả các electron trong vật liệu rắn.

Để làm rõ bản chất của laser atto giây và đánh giá cao các đặc tính độc đáo của chúng so với laser thông thường, điều cần thiết là phải tìm hiểu phân loại chúng trong "họ laser" rộng hơn. Phân loại theo bước sóng cho thấy laser atto giây chủ yếu hoạt động trong dải tần từ tia cực tím đến tia X mềm, biểu thị bước sóng ngắn hơn đáng kể so với laser thông thường. Về chế độ đầu ra, laser atto giây thuộc loại laser xung, đặc trưng bởi thời lượng xung cực ngắn. Để dễ hình dung hơn, ta có thể hình dung laser sóng liên tục giống như một chiếc đèn pin phát ra chùm sáng liên tục, trong khi laser xung giống như đèn nháy, nhanh chóng chuyển đổi giữa các khoảng thời gian sáng và tối. Về bản chất, laser atto giây thể hiện hành vi xung nhịp trong điều kiện sáng và tối, nhưng sự chuyển đổi giữa hai trạng thái này diễn ra với tần số đáng kinh ngạc, đạt đến phạm vi atto giây.

Phân loại sâu hơn theo công suất sẽ chia laser thành các nhóm công suất thấp, công suất trung bình và công suất cao. Laser atto giây đạt được công suất đỉnh cao nhờ thời lượng xung cực ngắn, dẫn đến công suất đỉnh (P) nổi bật – được định nghĩa là cường độ năng lượng trên một đơn vị thời gian (P=W/t). Mặc dù các xung laser atto giây riêng lẻ có thể không sở hữu năng lượng (W) đặc biệt lớn, nhưng thời gian ngắn (t) của chúng mang lại công suất đỉnh cao hơn.

Về lĩnh vực ứng dụng, laser bao gồm nhiều lĩnh vực như công nghiệp, y tế và khoa học. Laser atto giây chủ yếu được sử dụng trong nghiên cứu khoa học, đặc biệt là trong việc khám phá các hiện tượng phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực vật lý và hóa học, mở ra cánh cửa hé lộ những quá trình năng động nhanh chóng của thế giới vi mô.

Phân loại theo môi trường laser chia laser thành laser khí, laser rắn, laser lỏng và laser bán dẫn. Việc tạo ra laser atto giây thường dựa trên môi trường laser khí, tận dụng các hiệu ứng quang học phi tuyến để tạo ra các sóng hài bậc cao.

Tóm lại, laser atto giây tạo thành một lớp laser xung ngắn độc đáo, được phân biệt bởi thời lượng xung cực ngắn, thường được đo bằng atto giây. Do đó, chúng đã trở thành công cụ không thể thiếu để quan sát và kiểm soát các quá trình động học siêu nhanh của electron bên trong nguyên tử, phân tử và vật liệu rắn.

Quy trình phức tạp của việc tạo ra laser atto giây

Công nghệ laser atto giây đứng đầu trong lĩnh vực đổi mới khoa học, sở hữu một tập hợp các điều kiện vô cùng khắt khe để tạo ra nó. Để làm sáng tỏ những phức tạp trong việc tạo ra laser atto giây, chúng ta sẽ bắt đầu với phần trình bày ngắn gọn về các nguyên lý cơ bản, tiếp theo là những hình ảnh ẩn dụ sinh động được rút ra từ kinh nghiệm hàng ngày. Độc giả không am hiểu về những phức tạp của vật lý liên quan cũng không cần phải lo lắng, vì những hình ảnh ẩn dụ tiếp theo nhằm mục đích giúp người đọc hiểu được các nguyên lý vật lý cơ bản của laser atto giây.

Quá trình tạo ra laser atto giây chủ yếu dựa trên kỹ thuật được gọi là tạo sóng hài bậc cao (HHG). Đầu tiên, một chùm xung laser femto giây (10^-15 giây) cường độ cao được hội tụ chặt chẽ vào vật liệu mục tiêu dạng khí. Điều đáng chú ý là laser femto giây, tương tự như laser atto giây, đều có đặc điểm là thời lượng xung ngắn và công suất đỉnh cao. Dưới tác động của trường laser mạnh, các electron trong các nguyên tử khí tạm thời được giải phóng khỏi hạt nhân nguyên tử của chúng, tạm thời chuyển sang trạng thái electron tự do. Khi các electron này dao động đáp ứng với trường laser, cuối cùng chúng sẽ quay trở lại và tái kết hợp với hạt nhân nguyên tử mẹ, tạo ra các trạng thái năng lượng cao mới.

Trong quá trình này, các electron chuyển động với vận tốc cực cao, và khi tái hợp với các hạt nhân nguyên tử, chúng giải phóng thêm năng lượng dưới dạng các bức xạ sóng hài bậc cao, biểu hiện dưới dạng các photon năng lượng cao.

Tần số của các photon năng lượng cao mới được tạo ra này là bội số nguyên của tần số laser ban đầu, tạo thành cái gọi là sóng hài bậc cao, trong đó "sóng hài" biểu thị các tần số là bội số nguyên của tần số ban đầu. Để tạo ra laser atto giây, cần phải lọc và hội tụ các sóng hài bậc cao này, chọn các sóng hài cụ thể và tập trung chúng vào một điểm hội tụ. Nếu muốn, các kỹ thuật nén xung có thể rút ngắn thêm thời lượng xung, tạo ra các xung cực ngắn trong phạm vi atto giây. Rõ ràng, việc tạo ra laser atto giây là một quá trình phức tạp và đa diện, đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao và thiết bị chuyên dụng.

Để làm sáng tỏ quá trình phức tạp này, chúng tôi đưa ra một ví dụ ẩn dụ dựa trên các tình huống đời thường:

Các xung laser femto giây cường độ cao:

Hãy tưởng tượng bạn sở hữu một chiếc máy bắn đá cực mạnh có khả năng phóng đá tức thì với tốc độ khổng lồ, tương tự như vai trò của các xung laser femto giây cường độ cao.

Vật liệu mục tiêu dạng khí:

Hãy hình dung một mặt nước tĩnh lặng tượng trưng cho vật liệu khí mục tiêu, nơi mỗi giọt nước đại diện cho vô số nguyên tử khí. Hành động ném đá vào mặt nước này phản ánh một cách tương tự tác động của các xung laser femtô giây cường độ cao lên vật liệu khí mục tiêu.

Sự chuyển động và tái hợp của electron (về mặt vật lý được gọi là quá trình chuyển tiếp):

Khi các xung laser femtô giây tác động vào các nguyên tử khí trong vật liệu mục tiêu dạng khí, một lượng đáng kể các electron ngoài cùng bị kích thích tạm thời đến trạng thái mà chúng tách ra khỏi hạt nhân nguyên tử tương ứng, tạo thành trạng thái giống như plasma. Khi năng lượng của hệ thống giảm dần (vì các xung laser vốn dĩ là xung nhịp, có các khoảng thời gian ngừng lại), các electron ngoài cùng này quay trở lại vùng lân cận của hạt nhân nguyên tử, giải phóng các photon năng lượng cao.

Tạo sóng hài bậc cao:

Hãy tưởng tượng mỗi khi một giọt nước rơi xuống mặt hồ, nó tạo ra những gợn sóng, tương tự như các sóng hài bậc cao trong laser atto giây. Những gợn sóng này có tần số và biên độ cao hơn so với những gợn sóng ban đầu do xung laser femto giây sơ cấp tạo ra. Trong quá trình tạo sóng hài bậc cao (HHG), một chùm tia laser mạnh, giống như việc liên tục ném đá, chiếu sáng một mục tiêu khí, mô phỏng mặt hồ. Trường laser mạnh này đẩy các electron trong khí, tương tự như các gợn sóng, ra khỏi nguyên tử mẹ của chúng và sau đó kéo chúng trở lại. Mỗi khi một electron trở lại nguyên tử, nó phát ra một chùm tia laser mới với tần số cao hơn, tương tự như các mô hình gợn sóng phức tạp hơn.

Lọc và lấy nét:

Kết hợp tất cả các chùm tia laser mới được tạo ra này sẽ tạo ra một quang phổ với nhiều màu sắc khác nhau (tần số hoặc bước sóng), một số trong đó tạo nên tia laser atto giây. Để phân lập các kích thước và tần số gợn sóng cụ thể, bạn có thể sử dụng một bộ lọc chuyên dụng, tương tự như việc chọn các gợn sóng mong muốn, và sử dụng kính lúp để tập trung chúng vào một khu vực cụ thể.

Nén mạch (nếu cần):

Nếu bạn muốn lan truyền các gợn sóng nhanh hơn và ngắn hơn, bạn có thể tăng tốc độ lan truyền của chúng bằng một thiết bị chuyên dụng, giảm thời gian tồn tại của mỗi gợn sóng. Việc tạo ra laser atto giây liên quan đến sự tương tác phức tạp của nhiều quá trình. Tuy nhiên, khi được phân tích và trực quan hóa, nó trở nên dễ hiểu hơn.