Các nhà khoa học chụp thành công hình ảnh khoảnh khắc phản ứng nguyên tử ở cấp độ attosecond
Thế giới á nguyên tử rất nhỏ bé, cũng rất nhanh chóng. Trong thế giới này, thang thời gian diễn ra các sự kiện là attosecond (còn được gọi là giây ban đầu), tức là một phần tỷ giây. Nói cách khác, thang thời gian này ngắn đến mức có nhiều attosecond trong một giây hơn số giây trong toàn bộ lịch sử của vũ trụ. Ngay cả trong một khoảng thời gian ngắn như vậy, các nhà khoa học vẫn có thể chụp được hình ảnh quá trình phản ứng nguyên tử đang diễn ra.
Để thực sự hiểu được sự tương tác giữa các lạp tử và bức xạ ion hóa trong thế giới á nguyên tử, các nhà khoa học cần ghi lại các phản ứng nguyên tử trong khoảng thời gian cực ngắn. Lĩnh vực này quan trọng đối với khoa học, đến nỗi giải Nobel năm ngoái đã được trao cho nhà vật lý khám phá ra cách phân tích những thay đổi của các á nguyên tử ở cấp độ attosecond này.
Giờ đây, các nhà khoa học từ Hoa Kỳ và Đức đã sử dụng Nguồn sáng kết hợp Linac (LCLS) tại Phòng thí nghiệm máy gia tốc quốc gia SLAC ở California, để ghi lại các kích thích tia X ở quy mô attosecond trong nước lỏng. Về cơ bản, họ ghi lại các khung hình đóng băng trong nước lỏng khi các electron trải qua thời điểm năng lượng phản ứng, nhưng trước khi các nguyên tử hydro và oxy có thời gian phản ứng. Kết quả nghiên cứu này đã được công bố trên tập san “Khoa học” (Science) vào ngày 15/02.
Bà Linda Young thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, đồng tác giả của nghiên cứu, cho biết trong một thông cáo báo chí: “Cho đến nay, các nhà hóa học phóng xạ chỉ có thể giải quyết thang thời gian picosecond, chậm hơn một triệu lần so với thang attosecond. Điều này giống như câu nói ‘Tôi được sinh ra và sau đó tôi mất đi’. Nhưng quý vị tự hỏi điều gì đã xảy ra ở giữa quá trình ấy. Đây chính là những gì chúng tôi có thể làm hiện nay.”
Công nghệ mang lại thành tựu đáng kinh ngạc này được gọi là “Quang phổ hấp thụ nhất thời tia X attosecond”, hay gọi tắt là AX-ATAS. Phương pháp này sử dụng hai xung mạch của tia X – một xung mạch kích thích các phân tử nước và một xung mạch khác ghi lại phản ứng của vật chất đối với bức xạ ion hóa. Theo nhóm nghiên cứu người Đức, thuộc Trung tâm nghiên cứu máy gia tốc đồng bộ điện tử Đức (DESY), nơi các nhà khoa học tham gia vào công trình nghiên cứu này, nước được chọn làm đối tượng thử nghiệm vì sự phân bố electron của nó tạo thành hai điện cực, cho phép nó hoạt động theo kiểu liên kết với các phân tử khác trong một phản ứng gọi là liên kết hydro. Nó là một phản ứng cần thiết cho sự sống.
“Trong thí nghiệm đầu tiên của chúng tôi, nó đã thành công!” Ông Shuai Li, một trong những đồng tác giả nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, cho biết trong một thông cáo báo chí. “Nhưng tín hiệu chúng tôi thu được trong dữ liệu là ‘hỗn hợp’. Sự thực chứng minh, trong ảnh chụp cực nhanh thoáng qua này, chúng tôi đã thăm dò nhiều trạng thái lượng tử đến mức chúng tôi không thể không phát triển một phương pháp phân tích tính toán hoàn toàn mới để lý giải dữ liệu.”
DESY đã mô phỏng thành công phản ứng của nước với tia X, và xác nhận rằng chúng được ghi lại ở thang thời gian attosecond. Sau đó, bằng cách sử dụng siêu máy tính Hyak của Trường Đại học Hoa Thịnh Đốn, nhóm nghiên cứu “đã đạt được những tiến bộ quan trọng trong việc lý giải các phản ứng hóa học cực nhanh ở cấp độ lượng tử với độ chính xác vượt trội và chi tiết”, ông Li nói.
Nghiên cứu này không chỉ cung cấp cho các nhà vật lý một góc nhìn về attosecond mới trong hóa học lượng tử, mà còn cung cấp những hiểu biết sâu sắc hơn về một loạt các lĩnh vực liên quan đến bức xạ ion hóa, đặc biệt là trong lĩnh vực du hành vũ trụ, điều trị ung thư và lò phản ứng hạt nhân.
