Những công cụ làm bằng ánh sáng: Giải Nobel Vật lí 2018 (Phần 1)

Những phát minh được tôn vinh bởi Giải thưởng Nobel Vật lí năm nay đã làm cách mạng hoá ngành vật lí học laser. Những vật cực nhỏ và những quá trình cực nhanh nay trình hiện dưới ánh sáng mới. Không chỉ vật lí học, mà cả hoá học, sinh học lẫn y học đều thu về những thiết bị chính xác để dùng trong nghiên cứu cơ bản và các ứng dụng thực tiễn.

Arthur Ashkin

Arthur Ashkin (1922-), quốc tịch Mĩ, ½ giải

Arthur Ashkin đã phát minh nhíp ánh sáng để gắp các hạt, các nguyên tử và phân tử bằng các ngón laser của chúng. Virus, vi khuẩn, và các tế bào sống khác cũng được gắp giữ, được khảo sát và thao tác mà không bị phá hỏng. Nhíp ánh sáng của Ashkin đã mở ra những cơ hội hoàn toàn mới cho việc quan sát và điều khiển sự vận hành của sự sống.

Gérard Mourou và Donna Strickland

Gérard Mourou (1944-), quốc tịch Pháp;
và Donna Strickland (1959-), quốc tịch Canada;½ giải

Gérard Mourou và Donna Strickland đã xây dựng nền tảng cho những xung laser nhanh nhất và cường độ mạnh nhất mà con người từng tạo ra. Kĩ thuật họ phát triển đã mở ra những lĩnh vực nghiên cứu hoàn toàn mới và đưa đến những ứng dụng công nghiệp và y học rộng rãi; ví dụ, hàng triệu ca phẫu thuật mắt được tiến hành mỗi năm nhờ những chùm laser sắc bén.

Chuyển động trong các chùm sáng

Arthur Ashkin từng có một giấc mơ: hãy tưởng tượng các chùm ánh sáng có thể thực hiện công và làm các vật dịch chuyển. Trong những tập phim viễn tưởng khởi đầu vào giữa những năm 1960, Star Trek, người ta có thể dùng các chùm tia máy kéo để hồi phục các vật thể, thậm chí là các tiểu hành tinh trong không gian, mà không hề chạm vào chúng. Tất nhiên, điều này nghe sặc mùi khoa học viễn tưởng thuần tuý. Chúng ta có thể cảm nhận được rằng các chùm tia sáng Mặt Trời mang năng lượng – đứng ngoài nắng người ta nóng lên – mặc dù áp suất từ chùm tia ấy quá nhỏ để chúng ta cảm nhận dù là một cú hích bé xíu thôi. Nhưng liệu lực tác dụng của nó có đủ để đẩy những hạt cực kì bé xíu và các nguyên tử hay không?

Ngay sau phát minh laser đầu tiên vào năm 1960, Ashkin đã bắt đầu làm thí nghiệm với thiết bị mới ấy tại Phòng thí nghiệm Bell ở ngoại ô New York. Trong một chùm laser, sóng ánh sáng chuyển động kết hợp, không giống như ánh sáng trắng thông thường trong đó các chùm tia thuộc mọi màu cầu vồng bị trộn lẫn và bị tán xạ theo mọi hướng.

Ashkin nhận ra rằng laser sẽ là công cụ hoàn hảo để khiến các chùm ánh sáng làm di chuyển các vật nhỏ. Ông rọi laser vào những hạt cầu trong suốt kích cỡ micro-mét và, yên tâm làm sao, ông thấy các hạt cầu ấy chuyển động. Đồng thời, Ashkin cảm thấy bất ngờ khi chứng kiến các hạt cầu bị hút về phía chính giữa chùm tia, nơi nó có cường độ mạnh nhất. Lời giải thích là cho dù chùm tia laser có tính định hướng rất cao, nhưng cường độ của nó giảm dần từ tâm ra ngoài. Do đó, áp suất bức xạ mà ánh sáng laser tác dụng lên các hạt cũng biến thiên, đẩy chúng về phía giữa chùm tia, giữ các hạt tại tâm của nó.

Đồng thời, để giữ các hạt theo hướng chùm tia, Ashkin lắp thêm một thấu kính mạnh để làm hội tụ ánh sáng laser. Khi ấy các hạt bị hút về phía điểm có cường độ ánh sáng lớn nhất. Thế là một kiểu bẫy ánh sáng ra đời; ngày nay nó được gọi là nhíp ánh sáng.

Cách Ashkin tạo ra bẫy ánh sáng

Cách Ashkin tạo ra bẫy ánh sáng

Hình 1. 1 Các hạt cầu nhỏ được làm cho chuyển động khi rọi chúng bằng ánh sáng laser. Tốc độ của chúng khớp với ước tính trên lí thuyết của Ashkin, chứng tỏ rằng chính áp suất bức xạ đang đẩy chúng đi.

2 Một hiệu ứng bất ngờ là gradient lực đẩy các hạt cầu về phía tâm của chùm tia, nơi ánh sáng có cường độ mạnh nhất. Hiện tượng này xảy ra là do cường độ của chùm tia giảm từ trong ra ngoài và tổng tất cả các lực đẩy lên hạt cầu ép chúng về phía tâm của chùm tia.

3 Bằng cách hướng chùm laser từ dưới lên, Ashkin làm các hạt cầu được nâng lơ lửng. Áp suất bức xạ cân bằng với trọng lực.

4 Chùm laser được hội tụ bằng một thấu kính. Ánh sáng bắt giữ các hạt, thậm chí cả vi khuẩn sống và các tế bào, trong những dụng cụ gọi là nhíp ánh sáng này.

>> Xem tiếp Phần 2

Nguồn: NobelPrize.org

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
Tin tức vật lý
Extension Thuvienvatly.com cho Chrome

Các bài khác


Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 26)
16/04/2019
Chưng cất không khí lỏng Phương pháp điều chế các phần khác nhau của không khí được gọi là chưng cất phân đoạn. Mỗi
Bảng tuần hoàn hóa học tốc hành (Phần 25)
16/04/2019
Sự điện phân Thập niên gặt hái được nhiều thành tựu hơn hết thảy đối với các khám phá nguyên tố là 1800-10, khi các
3 câu hỏi lớn mà hình ảnh lỗ đen không trả lời được
13/04/2019
Một mạng lưới gồm các kính thiên văn vô tuyến trên khắp thế giới đã tạo ra được hình ảnh cận cảnh đầu tiên của cái
9 sự thật về lỗ đen có thể bạn chưa biết
12/04/2019
Thử hỏi trong vũ trụ còn thứ gì kì lạ hơn các lỗ đen? Những con quái vật hấp dẫn, lạ lùng này không những làm bẻ cong
Loại vật chất mới tồn tại đồng thời ở thể rắn và thể lỏng
12/04/2019
Một loại vật chất mới có thể vừa ở thể rắn vừa ở thể lỏng. Trong trạng thái chuỗi-nóng chảy này, các lớp tan chảy
Hình ảnh trực tiếp đầu tiên của một lỗ đen
11/04/2019
Bằng chứng tận mắt đầu tiên của một lỗ đen và “cái bóng” của nó đã được công bố vào hôm 10 tháng Tư vừa qua bởi
Thiên văn vật lí cho người bận rộn – Neil DeGrasse Tyson (Phần 3)
10/04/2019
Chương 3 HÃY SÁNG LÊN NÀO Sau vụ nổ lớn, chương trình nghị sự chính của vũ trụ là dãn nở, làm loãng dần mật độ năng
Ảnh chụp đầu tiên của lỗ đen sẽ được công bố trong tuần này
10/04/2019
Bạn sẽ thấy gì nếu nhìn thẳng vào trái tim tăm tối của thiên hà của chúng ta? Chúng ta sắp trả lời được câu hỏi này.

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com