Kỉ lục đo thời gian ngắn nhất nhờ ánh sáng không tương tác tức thời với vật chất

Các nhà vật lí Đức vừa phát hiện ra một sự trễ thời gian khi sử dụng các xung ánh sáng làm phát ra các electron từ nguyên tử. Cho đến nay, người ta vẫn cho rằng các electron bắt đầu vọt khỏi nguyên tử ngay sau khi tác động của các photon. Độ trễ này là khoảng thời gian ngắn nhất từng đo được tính cho đến nay. Tạp chí Science đăng tải các kết quả của họ trong số ra ngày hôm nay 25/6.

Sự quang phát xạ electron bởi một xung ánh sáng atto giây (chùm màu lam) được phân giải thời gian bằng cách điều khiển chuyển động electron với một xung laser khả kiến cực ngắn (chùm màu đỏ). Xung atto giây này bóc các electron ra khỏi các orbital nguyên tử khác nhau và giải phóng chúng với độ trễ có thể sánh với đơn vị nguyên tử của thời gian. Ảnh: Thorsten Naeser / Viện Quang học Lượng tử Max Planck

Khi ánh sáng bị các nguyên tử hấp thụ, thì các electron trở nên bị kích thích. Nếu các hạt ánh sáng, gọi là photon, mang đủ năng lượng, thì các electron có thể vọt ra khỏi nguyên tử. Hiệu ứng này gọi là quang phát xạ và đã được Einstein giải thích cách nay hơn 100 năm rồi. Cho đến nay, người ta vẫn cho rằng các electron bắt đầu vọt khỏi nguyên tử ngay sau khi tác động của photon. Thời điểm này có thể phát hiện ra và vì thế được xem là trùng với thời gian đến của xung ánh sáng, tức là “thời gian zero” trong sự tương tác của ánh sáng với vật chất.

Sử dụng công nghệ đo thời gian cực ngắn của họ, các nhà vật lí ở Phòng thí nghiệm Vật lí Atto giây tại Viện Quang học Lượng tử Max Planck (MPQ), Đại học Kĩ thuật Muenchen (TUM) và Đại học Ludwig-Maximilians Munich (LMU), cùng với các cộng sự đến từ Áo, Hi Lạp, và Saudi Arabia, đã vừa kiểm tra giả thuyết này.

Các nhà vật lí chiếu các xung ánh sáng laser hồng ngoại gần kéo dài chưa tới bốn femto giây (10^-15s) vào các nguyên tử khí trơ neon. Các nguyên tử đồng thời bị va chạm bởi các xung khả kiến cực ngắn với thời gian kéo dài 180 atto giây, giải phóng các electron khỏi các orbital nguyên tử của chúng. Các xung atto giây làm vọt ra các electron hoặc từ các orbital 2p bên ngoài hoặc từ các orbital 2s bên trong của nguyên tử. Với trường điều khiển của xung laser đồng bộ hóa đóng vai trò “máy ghi thời gian atto giây”, các nhà vật lí sau đó đã ghi được thời điểm các electron kích thích rời khỏi nguyên tử.

Các phép đo của họ cho thấy các electron từ những orbital nguyên tử khác nhau, mặc dù bị kích thích đồng thời, rời khỏi nguyên tử với một độ trễ thời gian nhỏ nhưng có thể đo được, khoảng chừng 20 atto giây. “Một atto giây là một phần tỉ tỉ của một giây, một khoảng thời gian ngắn không thể tưởng tượng nổi. Nhưng sau khi kích thích bởi ánh sáng, một trong các electron rời khỏi nguyên tử sớm hơn electron kia. Vì thế, chúng tôi có thể chứng tỏ được rằng các electron “do dự” trong chốc lát trước khi chúng rời khỏi một nguyên tử”, giải thích của Reinhard Kienberger, giáo sư vật lí thực nghiệm tại trường TUM và là trưởng Nhóm Nghiên cứu Động lực học Atto giây tại MPQ.

Việc xác định nguyên nhân của sự do dự này còn là một thách thức với các nhà lí thuyết làm việc cùng tiến sĩ Vladislav Yakovlev cùng các đồng nghiệp của ông ở trường Đại học Công nghệ Vienna (Áo) và Quỹ Nghiên cứu quốc gia Hi Lạp. Mặc dù họ có thể xác nhận hiệu ứng trên một cách định lượng, sử dụng các chương trình điện toán phức tạp, nhưng họ đạt tới khoảng thời gian chỉ 5 femto giây. Nguyên nhân của sự do dự này có thể nằm ở sự phức tạp của nguyên tử neon, ngoài hạt nhân ra nó còn có 10 electron. “Những nỗ lực điện toán cần thiết để lập mô phỏng một hệ nhiều electron như vậy vượt quá khả năng điện toán của các siêu máy tính ngày nay”, Yakovlev giải thích.

Tuy nhiên, những nghiên cứu này hướng đến một nguyên nhân khả dĩ khác của “sự do dự” của các electron: các electron không những tương tác với hạt nhân nguyên tử của chúng, mà chúng còn bị tác động lẫn nhau. “Tương tác electron-electron này có thể nghĩa là mất một khoảng thời gian ngắn trước khi một electron bị lay động bởi sóng ánh sáng tới được giải phóng khỏi các electron đồng chí của nó và được phép rời khỏi nguyên tử”, phát biểu của Martin Schulze, nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ tại Đội LAP.

“Những tương tác cho đến nay ít được hiểu rõ này có một tác động cơ bản lên các chuyển động electron trong những chiều kích nhỏ bé nhất, cái xác định lộ trình của mọi quá trình sinh vật học và hóa học, chứ không đề cập đến tốc độ của các bộ vi xử lí nằm tại trung tâm của các máy tính”, Ferenc Krausz giải thích. “Nghiên cứu của chúng tôi làm sáng tỏ các tương tác của electron với nhau ở cấp độ nguyên tử”. Tóm lại, kĩ thuật đo nhanh nhất trên thế giới chỉ là vừa đủ tốt thôi: khoảng thời gian 20 atto giây đã quan sát thấy trong thời gian giải phóng electron là khoảng thời gian ngắn nhất từng đo được trực tiếp tính từ trước cho đến nay.

• Duy Khắc (theo PhysOrg.com)

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email

Thêm ý kiến của bạn