Trong một 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 then chốt là những người tiên phong trong lĩnh vực công nghệ laser attosecond.

Thuật ngữ "laser atto giây" lấy tên từ khoảng thời gian cực kỳ ngắn mà nó hoạt động, cụ thể là theo thứ tự atto giây, tương ứng với 10^-18 giây. Để nắm bắt được ý nghĩa sâu sắc của công nghệ này, sự hiểu biết cơ bản về ý nghĩa của attosecond là điều tối quan trọng. Một atto giây là một đơn vị thời gian cực kỳ nhỏ, cấu thành 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 giây atto giây sẽ giống như một hạt cát nép mình dưới chân núi. Trong khoảng thời gian thoáng qua 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 tia laser atto giây, các nhà khoa học có được khả năng chưa từng có để xem xét và điều khiển động lực học phức tạp của các electron trong cấu trúc nguyên tử, giống như phát lại chuyển động chậm từng khung hình trong một chuỗi rạp chiếu phim, từ đó đi sâu vào sự tương tác của chúng.

Laser Atto giâyđại diện cho đỉnh cao của nghiên cứu sâu rộng và nỗ lực phối hợp của các nhà khoa học, những người đã khai thác các nguyên lý quang học phi tuyến để chế tạo ra tia laser cực nhanh. Sự ra đời của họ đã cung cấp cho chúng ta một điểm thuận lợi mang tính đổi mới để quan sát và khám phá các quá trình động lực diễn ra bên trong các nguyên tử, phân tử và thậm chí cả các electron trong vật liệu rắn.

Để làm sáng tỏ bản chất của laser atto giây và đánh giá cao các thuộc tính độc đáo của chúng so với laser thông thường, bắt buộc phải khám phá cách phân loại của chúng trong “họ laser” rộng hơn. Việc phân loại theo bước sóng đặt các tia laser atto giây chủ yếu nằm trong phạm vi tần số tia cực tím đến tia X mềm, biểu thị bước sóng ngắn hơn đáng kể của chúng so với các tia laser thông thường. Về chế độ đầu ra, laser atto giây thuộc loại laser xung, được đặc trưng bởi thời lượng xung cực ngắn của chúng. Để rút ra một sự tương tự cho rõ ràng, người ta có thể hình dung các tia laser sóng liên tục giống như một đèn pin phát ra một chùm ánh sáng liên tục, trong khi các tia laser xung giống như ánh sáng nhấp nháy, luân phiên nhanh chóng giữa các giai đoạn chiếu sáng và bóng tối. Về bản chất, laser atto giây thể hiện hành vi dao động trong phạm vi chiếu sáng và bóng tối, tuy nhiên quá trình chuyển đổi giữa hai trạng thái của chúng diễn ra với tần số đáng kinh ngạc, đạt tới phạm vi atto giây.

Việc phân loại sâu hơn theo công suất đặt tia laser vào các khung công suất thấp, công suất trung bình và công suất cao. Laser atto giây đạt được công suất cực đại cao do thời lượng xung cực ngắn của chúng, dẫn đến công suất cực đại rõ rệt (P) – 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 có năng lượng cực lớn (W), nhưng phạm vi thời gian viết tắt (t) của chúng truyền cho chúng công suất cực đại cao.

Về lĩnh vực ứng dụng, tia laser trải rộng trên phạm vi phổ bao gồm các ứng dụng công nghiệp, y tế và khoa học. Laser Atto giây chủ yếu tìm thấy vị trí thích hợp 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, mang đến cơ hội nhìn vào các quá trình năng động nhanh chóng của thế giới vi mô.

Việc phân loại theo môi trường laser sẽ phân biệt các tia laser là laser khí, laser trạng thái rắn, laser lỏng và laser bán dẫn. Việc tạo ra laser atto giây thường dựa vào môi trường laser khí, tận dụng các hiệu ứng quang học phi tuyến để tạo ra sóng hài bậc cao.

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

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

Công nghệ laser Attosecond đi đầu trong đổi mới khoa học, tự hào có một loạt các điều kiện nghiêm ngặt hấp dẫn để tạo ra nó. Để làm sáng tỏ sự phức tạp của việc tạo ra tia laser atto giây, chúng tôi bắt đầu bằng phần trình bày ngắn gọn về các nguyên tắc cơ bản của nó, sau đó là những ẩn dụ sống động bắt nguồn từ trải nghiệm hàng ngày. Những độc giả không hiểu rõ về sự phức tạp của vật lý liên quan không cần phải tuyệt vọng, vì các phép ẩn dụ tiếp theo nhằm mục đích làm cho vật lý nền tảng của laser atto giây có thể tiếp cận được.

Quá trình tạo ra laser atto giây chủ yếu dựa vào kỹ thuật được gọi là Tạo sóng hài cao (HHG). Đầu tiên, một chùm xung laser femto giây cường độ cao (10^-15 giây) được tập trung chặt chẽ vào vật liệu mục tiêu dạng khí. Điều đáng chú ý là laser femto giây, giống như laser atto giây, có chung đặc điểm là có thời lượng xung ngắn và công suất cực đại cao. Dưới tác động của trường laser cường độ cao, các electron bên trong nguyên tử khí được giải phóng trong giây lát khỏi hạt nhân nguyên tử của chúng, tạm thời chuyển sang trạng thái electron tự do. Khi các electron này dao động để phản ứng với trường laser, cuối cùng chúng quay trở lại và kết hợp lại 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 hạt nhân nguyên tử, chúng giải phóng năng lượng bổ sung dưới dạng phát xạ hài hòa cao, biểu hiện dưới dạng 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 đạt được laser atto giây, cần phải lọc và tập trung các sóng hài bậc cao này, chọn các sóng hài cụ thể và tập trung chúng vào một tiêu điểm. Nếu muốn, 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 nhiều mặt, 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 ẩn dụ song song dựa trên các tình huống hàng ngày:

Xung Laser Femto giây cường độ cao:

Hãy hình dung việc sở hữu một máy phóng cực kỳ mạnh có khả năng ném đá ngay lập tức với tốc độ khổng lồ, giống như vai trò của các xung laser femto giây cường độ cao.

Vật liệu mục tiêu khí:

Hãy hình dung một vùng nước tĩnh lặng tượng trưng cho vật liệu mục tiêu ở dạng khí, trong đó mỗi giọt nước tượng trưng cho vô số nguyên tử khí. Hành động đẩy đá vào vùng nước này tương tự phản ánh tác động của xung laser femtosecond cường độ cao lên vật liệu mục tiêu dạng khí.

Chuyển động và tái hợp điện tử (Chuyển đổi được gọi là vật lý):

Khi các xung laser femto giây tác động đến các nguyên tử khí bên trong vật liệu mục tiêu dạng khí, một số lượng đáng kể các electron bên ngoài bị kích thích trong giây lát đến trạng thái chúng tách ra khỏi hạt nhân nguyên tử tương ứng, tạo thành trạng thái giống như plasma. Khi năng lượng của hệ thống sau đó giảm đi (vì các xung laser vốn đã là xung, có những khoảng thời gian ngừng hoạt động), các electron bên ngoài này quay trở lại vùng lân cận của chúng với hạt nhân nguyên tử, giải phóng các photon năng lượng cao.

Tạo sóng hài cao:

Hãy tưởng tượng mỗi khi một giọt nước rơi trở lại mặt hồ, nó sẽ tạo ra những gợn sóng, giống như sóng hài cao trong tia laser atto giây. Những gợn sóng này có tần số và biên độ cao hơn những gợn sóng ban đầu do xung laser femto giây chính gây ra. Trong quá trình HHG, một chùm tia laser mạnh, giống như việc ném đá liên tục, chiếu sáng mục tiêu khí, giống như bề mặt hồ. Trường laser cường độ cao này đẩy các electron trong chất 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 quay trở lại nguyên tử, nó sẽ phát ra một chùm tia laser mới có tần số cao hơn, giống như những dạng gợn sóng phức tạp hơn.

Lọc và lấy nét:

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

Nén xung (nếu cần):

Nếu bạn muốn 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 các quá trình. Tuy nhiên, khi chia nhỏ ra và hình dung, nó sẽ trở nên dễ hiểu hơn.