Trong thông báo quan trọng vào tối ngày 3 tháng 10 năm 2023, Giải Nobel Vật lý năm 2023 đã được công bố, ghi nhận những đóng góp nổi bật của ba nhà khoa học đóng vai trò chủ chốt là những người tiên phong trong lĩnh vực công nghệ laser atto giây.

Thuật ngữ "laser atto giây" bắt nguồn từ thang thời gian cực kỳ ngắn ngủi mà nó hoạt động, cụ thể là ở cấp độ atto giây, tương ứng với 10^-18 giây. Để nắm bắt được ý nghĩa sâu sắc của công nghệ này, điều tối quan trọng là phải hiểu rõ ý nghĩa của một atto giây. Một atto giây 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 chúng ta ví một giây như một ngọn núi cao chót vót, thì một atto giây sẽ giống như một hạt cát nhỏ bé nằm dưới chân ngọn núi. Trong khoảng thời gian ngắn ngủi này, ngay cả ánh sáng cũng khó có thể đi qua một khoảng cách tương đương với kích thước của một nguyên tử riêng lẻ. Thông qua việc sử dụng laser atto giây, các nhà khoa học có được khả năng chưa từng có trong việc xem xét và điều khiển động lực học phức tạp của các electron bên trong cấu trúc nguyên tử, giống như một đoạn phim quay chậm từng khung hình trong một chuỗi phim điện ảnh, từ đó đi sâu vào sự tương tác của chúng.

Tia laser atto giâyđại diện cho đỉnh cao của quá trình nghiên cứu sâu rộng và nỗ lực đồng bộ của các nhà khoa học, những người đã khai thác các nguyên lý của quang học phi tuyến tính để chế tạo laser siêu nhanh. Sự ra đời của chúng đã mang đến cho chúng ta một góc nhìn sáng tạo để quan sát và khám phá các quá trình động diễn ra bên trong các nguyên tử, phân tử, và thậm chí cả electron trong vật liệu rắn.

Để làm sáng tỏ bản chất của laser atto giây và đánh giá cao những đặc tính phi truyền thống của chúng so với laser thông thường, việc phân loại chúng trong "họ laser" rộng hơn là điều bắt buộc. Phân loại theo bước sóng đặt laser atto giây chủ yếu trong dải tần số từ tia cực tím đến tia X mềm, biểu thị bước sóng ngắn hơn đáng kể của chúng 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 hiểu hơn, ta có thể hình dung laser sóng liên tục giống như đèn pin phát ra chùm sáng liên tục, trong khi laser xung giống như đèn nhấp nháy, luân phiên nhanh chóng giữa các giai đoạn chiếu sáng và tối. Về bản chất, laser atto giây thể hiện hành vi dao động trong cả điều kiện chiếu sáng và tối, nhưng quá trình chuyển đổi giữa hai trạng thái của chúng diễn ra ở tần số đáng kinh ngạc, đạt đến ngưỡng atto giây.

Phân loại thêm theo công suất chia laser thành các loại công suất thấp, công suất trung bình và công suất cao. Laser atto giây đạt công suất cực đại cao nhờ thời gian xung cực ngắn, tạo ra công suất cực đại (P) rõ rệt – 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 phạm vi thời gian ngắn (t) của chúng mang lại cho chúng công suất cực đại cao.

Xét về phạm vi ứng dụng, laser trải rộng trên một phổ rộng bao gồm các ứng dụng công nghiệp, y tế và khoa học. Laser atto giây chủ yếu được ứng dụng trong lĩnh vực 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 một góc nhìn sâu sắc vào các quá trình động học nhanh chóng của thế giới vi mô.

Phân loại theo môi trường laser chia laser thành laser khí, laser thể 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 tính để tạo ra sóng hài bậc cao.

Tóm lại, laser atto giây là một loại laser xung ngắn độc đáo, được phân biệt bởi độ dài 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 cực nhanh của electron trong nguyên tử, phân tử và vật liệu rắn.

Quá trình phức tạp của việc tạo ra tia laser Atto giây

Công nghệ laser atto giây đang dẫn đầu trong đổi mới khoa học, tự hào với một loạt các điều kiện sản sinh ra nó vô cùng khắt khe. Để làm sáng tỏ những phức tạp của việc tạo ra laser atto giây, chúng tôi bắt đầu bằng một bài trình bày ngắn gọn về các nguyên lý cơ bản của nó, tiếp theo là những ẩn dụ sống động rút ra từ kinh nghiệm hàng ngày. Độc giả chưa am hiểu về những phức tạp của vật lý liên quan cũng không cần phải lo lắng, vì những ẩn dụ tiếp theo nhằm mục đích giúp hiểu rõ hơn về vật lý nền tảng 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 cường độ cao (10^-15 giây) được hội tụ chặt chẽ vào một vật liệu mục tiêu dạng khí. Cần lưu ý rằng laser femto giây, tương tự như laser atto giây, có chung đặc điểm là sở hữu thời gian xung ngắn và công suất cực đại cao. Dưới tác động của trường laser cường độ cao, các electron trong nguyên tử khí được giải phóng tạm thời 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 trở về và tái hợp với hạt nhân nguyên tử mẹ, tạo ra các trạng thái năng lượng cao mới.

Trong quá trình này, các electron di chuyển với vận tốc cực cao và khi kết hợp lại với hạt nhân nguyên tử, chúng giải phóng thêm năng lượng dưới dạng phát xạ sóng hài 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 tần số là bội số nguyên của tần số ban đầu. Để đạt được laser atto giây, cần phải lọc và hội tụ các sóng hài bậc cao này, chọn lọc 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 hơn nữa 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 phép ẩn dụ tương tự dựa trên các tình huống hàng ngày:

Xung laser Femto giây cường độ cao:

Hãy tưởng tượng bạn sở hữu một máy bắn đá cực mạnh có khả năng bắn đá tức thời với tốc độ cực nhanh, tương tự như tác dụng của các xung laser femto giây cường độ cao.

Vật liệu mục tiêu khí:

Hãy tưởng tượng một mặt nước tĩnh lặng tượng trưng cho vật liệu mục tiêu dạng khí, trong đó mỗi giọt nước tượng trưng cho vô số nguyên tử khí. Hành động đẩy đá vào mặt nước này cũng tương tự như tác động của các xung laser femto giây cường độ cao lên vật liệu mục tiêu dạng khí.

Chuyển động và sự tái hợp của electron (được gọi theo thuật ngữ vật lý là chuyển đổi):

Khi các xung laser femto giây tác động lên các nguyên tử khí bên trong vật liệu mục tiêu dạng khí, một số lượng đáng kể các electron lớp ngoài cùng bị kích thích tạm thời lên trạng thái tách khỏi hạt nhân nguyên tử tương ứng, tạo thành trạng thái giống plasma. Khi năng lượng của hệ thống giảm dần (vì các xung laser vốn có tính chất xung, với các khoảng dừng), các electron lớp ngoài cùng này trở về vùng lân cận hạt nhân nguyên tử, giải phóng các photon năng lượng cao.

Tạo ra sóng hài cao:

Hãy tưởng tượng mỗi khi một giọt nước rơi trở lại mặt hồ, nó tạo ra những gợn sóng, tương tự như 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 chính tạo ra. Trong quá trình HHG, một chùm tia laser mạnh, tương tự như việc ném đá liên tục, chiếu sáng một mục tiêu khí, tương tự như mặt hồ. Trường laser mạnh này đẩy các electron trong khí, tương tự như các gợn sóng, ra khỏi các nguyên tử mẹ của chúng và sau đó kéo chúng trở lại. Mỗi khi một electron trở về 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 Tập trung:

Kết hợp tất cả các chùm tia laser mới 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 thành tia laser atto giây. Để tách các kích thước và tần số gợn sóng cụ thể, bạn có thể sử dụng một bộ lọc chuyên dụng, tương tự như cách chọn các gợn sóng mong muốn, và dùng kính lúp để tập trung chúng vào một khu vực cụ thể.

Nén xung (nếu cần):

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