Có thể đo thời gian ngắn nhất là bao nhiêu?

Đáp án là 20 atto giây (20.10-18 s). Câu hỏi này liên quan đến kỹ thuật thực nghiệm xác định thời gian và câu trả lời liên quan đến kỹ thuật quang lượng tử mà ở đó thời gian tồn tại của nguyên tử trong các mức năng lượng chỉ tính tới cấp femto giây. Các nhà vật lý của Trường Đại học Kỹ thuật Munich (Technische Universitaet München), Trường Đại học Ludwig-Maximilians Munich và Viện Max-Planck về Quang học Lượng tử đã phát hiện ra sự trễ thời gian khi sử dụng một xung ánh sáng kích thích để phát xạ các điện tử từ các nguyên tử. Cho đến nay, người ta vẫn giả thiết rằng các điện tử bắt đầu dịch chuyển trong nguyên tử một cách tức thời sau khi có sự tác động của các photon. Thời gian trễ được phát hiện trong công trình này là khoảng thời gian ngắn nhất được đo chính xác cho đến nay trong tự nhiên và có thể sẽ là một đột phá cho các kỹ thuật về thời gian. Trước đó, đồng hồ nguyên tử chính xác nhất ở PTN Vật lý Quốc gia Anh quốc cho phép xác định thời gian chính xác nhất chỉ đến 2.3.10-16 s. Có nghĩa là phép đo này nâng cao độ chính xác về xác định thời gian lên một cấp (gấp 10 lần).

Khi ánh sáng bị hấp thụ bởi các nguyên tử, các electron trong nguyên tử sẽ bị kích thích. Nếu ánh sáng được coi là các hạt, gọi là các photon, mang theo một lượng tử năng lượng, các điện tử có thể bị bật ra khỏi nguyên tử. Hiệu ứng này gọi là sự phát xạ quang (photoemission) và được giải thích bởi Einstein hơn một trăm năm trước đây. Cho đến nay, người ta vẫn cho rằng các điện tử sẽ dịch chuyển ngay lập tức (tức thời) ra khỏi nguyên tử sau khi có tác động của photon. Thời điểm này có thể được ghi nhận và được cho là trùng lặp với thời điểm mà xung ánh sáng đạt đến nguyên tử, hay gọi là “thời gian không” (time-zero) trong tương tác giữa ánh sáng với vật chất.

Sử dụng kỹ thuật đo thời gian cực ngắn, các nhà vật lý của Viện Vật lý Atto Giây, Viện Max-Planck về Quang học Lượng tử (MPQ) cùng hợp tác với các nhà vật lý của Đại học Kỹ thuật Munich, Đại học Ludwig-Maximilians Munich, cùng vơi sự cộng tác của nhiều đồng nghiệp ở Áo, Hi Lạp, Arập Sêut đã tiến hành kiểm chứng chính xác sự thừa nhận này. Các nhà vật lý đã sử dụng một xung laser ở vùng hồng ngoại gần với xung ngắn hơn 4 femto giây (4.10-15 giây) để kích thích các nguyên tử khí trơ Neon. Các nguyên tử sẽ đồng thời bị tác động bởi một xung tử ngoại với thời gian 180 atto giây (10-18 giây), và làm bật ra các điện tử tự do từ các orbital. Xung tử ngoại atto giây sẽ làm bật các điện tử từ lớp orbital ngoài 2p hoặc bên trong là 2s. Nhờ việc điều khiển chính xác xung laser đồng bộ tạo ra một máy ghi thời gian atto giây (attosecond chronograph), các nhà vật lý đã ghi lại được chính xác khi nào điện tử bị kích thích rời khỏi nguyên tử.

Kết quả về phổ kích thích attosecond (A, B): A chứa series các phổ năng lượng quang-điện tử ghi lại từ các điện tử bật ra từ lớp 2s và 2p trong nguyên tử Neon; B là phổ phục hồi, (C, D) cho thấy các kết quả về sự trễ thời gian giữa thời điểm kích thích và thời điểm phát xạ (Theo Schultze et al, Science 328 (2010) 1658-1662).

Hình ảnh trên đây mô tả kết quả về phổ kích thích attosecond (A, B): A chứa series các phổ năng lượng quang-điện tử ghi lại từ các điện tử bật ra từ lớp 2s và 2p trong nguyên tử Neon; B là phổ phục hồi, (C, D) cho thấy các kết quả về sự trễ thời gian giữa thời điểm kích thích và thời điểm phát xạ (Theo Schultze et al, Science 328 (2010) 1658-1662). Các đo đạc đã tiết lộ rằng các điện tử từ các orbital nguyên tử khác nhau mặc dù bị kích thích một cách đồng thời nhưng lại vẫn rời khỏi nguyên tử với một độ trễ thời gian có thể đo được khoảng 20 atto giây. “Một atto giây bằng một phần tỉ của một phần tỉ giây, một khoảng thời gian nhỏ không thể tưởng tượng được. Nhưng sau khi có sự kích thích bởi ánh sáng, một trong số các điện tử rời khỏi nguyên tử sớm hơn điện tử khác. Do đó chúng ta chỉ có thể chỉ ra rằng các điện tử còn “ngập ngừng” chút xíu trước khi rời khỏi nguyên tử” – theo lời của Giáo sư Reinhard Kienberger của Đại học Kỹ thuật Munich, lãnh đạo nhóm nghiên cứu trẻ (Junior Research group) tại Viện Max-Planck về Quang học Lượng tử. Xác định các nguyên nhân của “sự ngập ngừng” này cũng là một thử thách cho các nhà lý thuyết của Đại học Ludwig-Maximilians Munich trong nhóm của Tiến sĩ Vladislav Yakovlev, hợp tác với các đồng nghiệp ở Đại học Công nghệ Vienna (Áo), và Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hellenic (Hy Lạp). Mặc dù họ có thể khẳng định hiệu ứng một cách định tính sử dụng các phương pháp tính phức tạp, họ vẫn đạt được kết quả thời gian ở mức offset là 5 atto giây. Nguyên nhân của sự không nhất quán có thể nằm trong cấu trúc điện tử phức tạp của nguyên tử Neon với 10 điện tử. “Những nỗ lực tính toán đòi hỏi phải mô hình hóa hệ nhiều điện tử vượt kha năng tính toán của các siêu máy tính hiện nay” – Yakovlev lý giải.

Mặc dù vậy, nghiên cứu này đã chỉ ra một nguyên nhân có thể của sự “ngập ngừng” này: các điện tử không chỉ tương tác với hạt nhân nguyên tử mà còn bị ảnh hưởng bởi chính các điện tử khác. “Tương tác điện tử – điện tử này có thể tác động trong một thời gian ngắn hơi trước khi một điện tự bị tác động bởi sóng ánh sáng tới giải phóng điện tử cho phép nó rời khỏi nguyên tử” – theo lời của Tiến sĩ Martin Schulze, một Postdoc của nhóm nghiên cứu tại Đại học Ludwig-Maximilians Munich. “Những tương tác được hiểu biết rất ít này có sự ảnh hướng đến sự dịch chuyển của điện tử trong một phạm vi rất bé, và tất nhiên sẽ quy định tất cả các quá trình sinh và hóa học, không cần nói đến tốc độ của bộ vi xử lý nằm ở trái tim của máy tính” – theo lý giải của Ferenc Krausz. “Nghiên cứu cảu chúng tôi góp phần làm sáng tỏ về tương tác giữa điện tử với điện tử ở phạm vi cấp độ nguyên tử”. Và một điều quan trọng được tạo ra trong công trình này, kỹ thuật đo đạc nhanh nhất trên thế giới cho phép đo chính xác khoảng thời gian trễ ngắn nhất trong tự nhiên: 20 atto giây – khoảng thời gian ngắn kỷ lục được xác định trực tiếp, có thể sẽ là một đột phá trong các kỹ thuật về thời gian nguyên tử. Có thể xem chi tiết công trình này trên bài báo mới được xuất bản trên tạp chí Science.

(Bài viết cũ của tôi trên trang tin Vatlyvietnam.org, dịch từ ScienceDaily và Science Magazine).

 

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s