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 đã đóng vai trò chủ chốt như những người tiên phong trong lĩnh vực công nghệ laser atto giây.

Thuật ngữ "laser atto giây" có tên bắt nguồn từ thang 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, điều quan trọng nhất là phải hiểu cơ bản về ý nghĩa của 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 hiểu rõ hơn, nếu chúng ta ví một giây như một ngọn núi cao chót vót, thì một atto giây sẽ giống như một hạt cát đơn lẻ nằm dưới chân ngọn 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 laser atto giây, các nhà khoa học có được khả năng chưa từng có để xem xét và điều khiển động lực phức tạp của các electron bên trong các cấu trúc nguyên tử, giống như một cảnh quay chậm từng khung hình trong một chuỗi phim, qua 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 những nỗ lực chung của các nhà khoa học, những người đã khai thác các nguyên lý của quang học phi tuyến tính để chế tạo ra các tia laser cực nhanh. Sự ra đời của chúng đã cung cấp cho chúng ta một điểm 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 các thuộc tính phi truyền thống của chúng khi so sánh với laser thông thường, điều bắt buộc là phải khám phá cách phân loại chúng trong "họ laser" rộng hơn. Phân loại theo bước sóng đặt laser atto giây chủ yếu trong phạm vi tần số tia cực tím đến tia X mềm, biểu thị bước sóng ngắn hơn đáng kể của chúng trái ngược với 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 đưa ra một phép so sánh để rõ ràng hơn, người 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, thay đổi nhanh chóng giữa các giai đoạn chiếu sáng và bóng tối. Về bản chất, laser atto giây thể hiện hành vi xung trong điều kiện chiếu sáng và bóng tối, nhưng quá trình chuyển đổi giữa hai trạng thái của chúng diễn ra ở tần số đáng kinh ngạc, đạt đến phạm vi atto giây.

Phân loại thêm theo công suất đặt laser vào các nhóm công suất thấp, công suất trung bình và công suất cao. Laser atto giây đạt được công suất đỉnh cao do thời lượng xung cực ngắn, tạo ra công suất đỉnh 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 sở hữu năng lượng (W) cực lớn, nhưng phạm vi thời gian ngắn (t) của chúng mang lại cho chúng công suất đỉnh cao hơn.

Về mặt lĩnh vực ứng dụng, laser trải rộng trên một phổ bao gồm các ứng dụng công nghiệp, y tế và khoa học. Laser atto giây chủ yếu tìm thấy vị trí thích hợp của chúng 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, cung cấp một cửa sổ vào các quá trình động nhanh chóng của thế giới vi mô.

Phân loại theo môi trường laser phân loại laser thành laser khí, laser thể rắn, laser lỏng và laser bán dẫn. Việc tạo ra laser atto giây thường phụ thuộc vào 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 tạo nên 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 cực nhanh của electron trong các nguyên tử, phân tử và vật liệu rắn.

Quá trình phức tạp của việc tạo ra tia laser Attosecond

Công nghệ laser atto giây đứng đầu trong đổi mới khoa học, tự hào có một tập hợp các điều kiện nghiêm ngặt hấp dẫn để tạo ra nó. Để làm sáng tỏ sự phức tạp của việc tạo ra laser atto giây, chúng tôi bắt đầu bằng một bài trình bày ngắn gọn về các nguyên tắc cơ bản của nó, tiếp theo là những ẩn dụ sống động bắt nguồn từ những trải nghiệm hàng ngày. Những độc giả không am hiểu về sự phức tạp của vật lý liên quan không cần phải tuyệt vọng, vì những ẩn dụ tiếp theo nhằm mục đích làm cho vật lý cơ bản của laser atto giây trở nên dễ hiểu.

Quá trình tạo ra tia 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 một vật liệu mục tiêu dạng khí. Cần lưu ý rằng tia laser femto giây, tương tự như tia laser atto giây, có chung đặc điểm là sở hữu thời lượng xung ngắn và công suất đỉnh cao. Dưới ảnh hưởng của trường laser mạnh, 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 để đáp ứng với trường laser, cuối cùng chúng sẽ quay trở lại và kết hợp lại với hạt nhân nguyên tử mẹ của chúng, 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 tạo ra này là bội số nguyên của tần số laser ban đầu, tạo thành cái được 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 tập trung 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 phép ẩn dụ song song 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 khối 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 khối nước này tương tự như tác động của 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 sự chuyển đổi):

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

Tạo ra sóng hài cao:

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

Lọc và Tập trung:

Kết hợp tất cả các chùm tia laser mới tạo ra này tạo ra quang phổ có nhiều màu sắc khác nhau (tần số hoặc bước sóng), một số trong đó tạo nên tia laser atto giây. Để cô 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 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, giảm thời gian tồn tại của mỗi gợn sóng. Việc tạo ra tia laser atto giây liên quan đến sự tương tác phức tạp của các quá trình. Tuy nhiên, khi phân tích và hình dung, nó trở nên dễ hiểu hơn.