Cách Sử Dụng Laser để Đẩy Một Electron ra khỏi Một Phân Tử năm 2025

Dù có những khả năng đa dạng, tình huống tương đối thường xuyên lặp lại trong tự nhiên: sự đối đầu giữa vật chất và ánh sáng.

Tự nhiên đưa ra sự kiện này theo vô số cách, nhưng trong những phiên bản phổ biến nhất, ánh sáng khởi động một quá trình vật lý bắt đầu khi một photon đánh vào một nguyên tử hoặc phân tử. Trong quá trình quang hợp, photon từ mặt trời đánh vào các phân tử chlorophyll trong cây để giải phóng electron, kích thích quá trình chuyển hóa hóa học của carbon dioxide và nước thành đường và oxy. Khi bạn bị cháy nắng, photon ánh sáng cực tím đánh và làm tổn thương phân tử DNA trong da. Bạn sẽ thấy quá trình này trong công nghệ, chẳng hạn như trong các tấm năng lượng mặt trời, nơi các nguyên tử silic được sắp xếp trong một tinh thể chuyển đổi photon từ mặt trời thành dòng electron tạo ra điện năng.

Nhưng các nhà vật lý vẫn chưa biết chi tiết về những gì xảy ra khi photon gặp phải nguyên tử và phân tử. Các bước diễn ra trong khoảng thời gian attoseconds, tức là phần tỷ tỷ giây (hoặc 10^-18 giây). Để nghiên cứu những hiện tượng thoáng qua như vậy, cần một loại laser đặc biệt phát ra những xung laser có thời gian attoseconds. Bạn có thể tưởng tượng chiều dài của một xung laser giống như tốc độ màn chụp của một chiếc máy ảnh. Càng ngắn xung, bạn càng rõ ràng bắt được một electron trong chuyển động. Bằng cách nghiên cứu những khoảnh khắc này, các nhà vật lý hiểu rõ hơn về quá trình cơ bản phổ biến trong tự nhiên.

Tháng trước, các nhà vật lý tại nhiều cơ sở giáo dục ở Trung Quốc đã công bố kết quả trong Physical Review Letters cho thấy họ đã đo lường thời gian mà một electron mất để rời khỏi một phân tử hai nguyên tử sau khi nó được chiếu sáng bằng một xung laser hồng ngoại rất sáng và ngắn. Mặc dù phân tử hai nguyên tử là tương đối đơn giản, phương pháp thử nghiệm của họ “mở ra một hướng mới” để nghiên cứu cách ánh sáng tương tác với electron trong các phân tử phức tạp hơn, tác giả viết trong bài báo. (Họ không đồng ý tham gia phỏng vấn với blog.mytour.vn.)

Trong thí nghiệm, các nhà nghiên cứu đã đo thời gian mà electron mất để rời khỏi phân tử sau khi photon từ laser đánh vào. Cụ thể, họ phát hiện ra rằng electron dao động qua lại giữa hai nguyên tử trong 3,500 attoseconds trước khi bắt đầu bay đi. Để hiểu rõ hơn, đó là nhanh gấp một triệu tỷ lần so với cử chỉ nhấp mắt, mất một phần ba giây.

Trong thí nghiệm này, để giữ thời gian, các nhà nghiên cứu theo dõi một thuộc tính của ánh sáng được biết đến là phân cực, theo lời của nhà vật lý Alexandra Landsman của Đại học Ohio, người không tham gia vào nghiên cứu. Phân cực là một thuộc tính của nhiều loại sóng và mô tả hướng dao động của chúng. Bạn có thể tưởng tượng về phân cực bằng cách tưởng tượng về sóng biển. Hướng mà sóng nổi và chìm là hướng phân cực của nó—nó đồng thời vuông góc với bề mặt của nước và vuông góc với hướng sóng di chuyển.

Một sóng ánh sáng là sự dao động trong lĩnh vực điện từ, hoặc lực điều khiển rộng rãi trong không gian và đẩy hoặc kéo trên điện tích điện. Khi ánh sáng đi qua một không gian, nó làm dao động lĩnh vực này, làm tăng giảm sức mạnh của lực điều khiển vuông góc với hướng di chuyển của nó, giống như sóng biển. Phân cực của ánh sáng mô tả hướng dao động của lĩnh vực. Khi ánh sáng phân cực theo một hướng cụ thể và đánh vào một electron, nó sẽ làm cho electron dao động qua lại song song với hướng đó.

Trong thí nghiệm này, các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh phân cực của ánh sáng laser để xoay đều, như là nếu đỉnh và thấp của lĩnh vực điện từ là một chiếc ốc xoắn xoay quanh không gian. Sự xoay đều đó cũng có thể theo dõi thời gian, giống như kim giây của một cái đồng hồ. Họ giả định rằng, khi xung laser chiếu sáng phân tử, electron bắt đầu rời khỏi nó khi đỉnh của xung đạt đến độ sáng cao nhất. Ở độ cường độ cao nhất đó, ánh sáng sẽ được phân cực theo một hướng cụ thể, theo hướng xoay của sóng. Bằng cách so sánh góc của tia phân cực với góc mà electron bị đẩy ra khỏi phân tử, họ có thể đo lường thời gian mà một electron mất để rời khỏi phân tử. Các nhà vật lý gọi phương pháp đo thời gian này là phương pháp "attoclock", vì nó có khả năng đo đạc các khoảng thời gian trên thang attosecond.

Attoclock không chỉ giữ thời gian trong quá trình thí nghiệm, mà nó cũng cung cấp các photon đánh bay electron khỏi phân tử. Nói một cách đơn giản, bạn có thể tưởng tượng về electron xoay quanh hạt nhân nguyên tử giống như mặt trăng xoay quanh Trái Đất. Trái Đất kéo mặt trăng quanh bằng sức hấp dẫn, trong khi hạt nhân dương tính hấp dẫn kéo electron âm tính quanh vì sự hấp dẫn điện. Nếu một vật thể đủ mạnh đánh vào mặt trăng, nó có thể đẩy nó vào một quỹ đạo khác, hoặc hoàn toàn ra khỏi quỹ đạo của Trái Đất. Tương tự, nếu photon đánh vào electron, chúng có thể đẩy electron đó vào một quỹ đạo khác—hoặc ra khỏi quỹ đạo hoàn toàn.

Nhưng khác với Trái Đất và mặt trăng, electron và photon tuân theo luật cơ học lượng tử. Theo những quy tắc này, một electron chỉ có thể di chuyển theo các quỹ đạo cụ thể, được biết đến là orbitals, được cách nhau ở các khoảng cách rời rạc. Lý thuyết, bạn có thể nhẹ nhàng đẩy mặt trăng quay quanh Trái Đất từ bất kỳ khoảng cách nào có thể, mang lại cho bạn một loạt các lựa chọn liên tục. Nhưng bạn không thể làm điều đó với một electron. Bạn phải đánh nó bằng đủ năng lượng để đẩy nó vào một trong những quỹ đạo cho phép. Đánh vào electron bằng bất cứ thứ gì ít mạnh mẽ hơn, và nó sẽ ở nguyên vị trí trong quỹ đạo ban đầu của nó.

Lần này, các nhà nghiên cứu đã sử dụng một phân tử bao gồm một nguyên tử argon và một nguyên tử krypton. Đây là một sự kết hợp không thường xuyên trong tự nhiên, vì argon và krypton không thích liên kết với các nguyên tử khác. “Krypton và argon chỉ được gắn kết rất lỏng lẻo với nhau,” như nhà vật lý Joachim Burgdörfer của Đại học Công nghệ Vienna ở Áo, người không liên quan đến công việc, nói. Nhưng điều này làm cho một số khía cạnh của thí nghiệm trở nên dễ dàng hơn, Burgdörfer nói. Bởi vì chúng được liên kết lỏng lẻo, chúng cách xa nhau, điều này làm cho việc xác định chính xác nguyên tử mà electron liên kết với ở một thời điểm nhất định trở nên dễ dàng hơn.

Những nhà nghiên cứu trước tiên đẩy một electron từ nguyên tử krypton, khiến phân tử mang điện tích dương. Sau đó, trong đo lường thực tế, họ đo thời gian rời đi của một electron ban đầu quay quanh nguyên tử argon. Sau khi electron gặp xung laser, nó di chuyển theo quỹ đạo giống như hình số 8 xung quanh các nguyên tử argon và krypton.

Theo cách đó, nó xây dựng trên các nguyên lý cơ học lượng tử được phát hiện đầu tiên trong thế kỷ 20, vì quỹ đạo của electron xung quanh phân tử argon-krypton chia sẻ những đặc điểm giống với một mô hình thô mà nghiên cứu tiên phong Wolfgang Pauli phát triển cho một phân tử hydro có điện tích dương với một electron, Burgdörfer nói. Mô hình của Pauli dự đoán rằng electron sẽ vẽ một hình số 8 xung quanh hai nguyên tử, giống như electron trong thí nghiệm này.

Thí nghiệm cũng bổ sung vào nguồn kiến thức ngày càng lớn về tương tác giữa ánh sáng và vật chất mà các nhà vật lý đã thu thập trong vòng một thập kỷ và nửa qua. Một thí nghiệm tiên phong ở Đức vào năm 2010 sử dụng kỹ thuật attoclock để so sánh tốc độ mà electron có thể rời khỏi nguyên tử neon từ hai quỹ đạo khác nhau. Họ phát hiện ra rằng electron rời khỏi nguyên tử chậm hơn 20 attoseconds từ một quỹ đạo so với quỹ đạo khác. Trước sự phát minh của laser attosecond, các nhà vật lý không có đồng hồ bấm chính xác đủ để nhận biết sự khác biệt, nên nhiều người đã giả định rằng nguyên tử neon đẩy electron ra ngay lập tức, bất kể quỹ đạo. Kể từ đó, các nhà vật lý đã đo thời gian các quá trình tỷ lệ attosecond khi photon đánh vào một nguyên tử helium đơn, ví dụ, hoặc một miếng nickel rắn.

Bằng cách nghiên cứu những quá trình siêu nhanh này, các nhà vật lý hy vọng sẽ có thể kiểm soát chúng—và có thể tận dụng chúng—đối với các công nghệ mới. Trong tương lai, nghiên cứu này có thể giúp các nhà khoa học kiểm soát các phản ứng hóa học để thiết kế loại phân tử tổng hợp mới hoặc phát triển công nghệ điện tử nhanh hơn, theo Landsman. Nhưng trước hết, nó có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách những khối xây dựng cơ bản giúp tạo nên vũ trụ phức tạp trước mắt chúng ta.