Lược tần đạt tới ngưỡng tử ngoại cực ngắn

Các nhà vật lí ở Mĩ vừa tạo ra một cái lược tần quang học hoạt động trong vùng tử ngoại cực ngắn (XUV). Được mệnh danh là cái lược tần thực tiễn đầu tiên hoạt động trong vùng này của quang phổ, dụng cụ trên có thể dùng để tìm kiếm những biến thiên nhỏ xíu ở hằng số cấu trúc tinh tế và những hằng số vật lí khác có thể hướng đến nền vật lí mới. Một cái lược XUV còn có thể dùng để tạo ra những đồng hồ nguyên tử tốt hơn và những kĩ thuật mới dùng trong nghiên cứu quang phổ học nguyên tử.

Lược tần được chế tạo với một laser khóa mode cực nhanh, trong đó các xung ánh sáng phản xạ tới lui trong một hộp cộng hưởng quang học. Phổ tần số của đoàn xung thu được từ một laser như thế là dải những cực đại rất sắc nét phân bố đều trên thang tần số, giống như những cái răng trên một cái lược vậy.

Khi một cái “răng” lược được lập một tần số chuẩn – ví dụ tần số phát ra bởi một đồng hồ nguyên tử - thì tần số tuyệt đối của một nguồn ánh sáng khác có thể được đo với độ chính xác cao bằng cách so sánh nó với những cái răng khác trên chiếc lược. Vì thế dụng cụ mang lại cho các nhà nghiên cứu một phương pháp thực hiện những phép đo quang phổ rất chính xác của các nguyên tử và phân tử, và còn mang lại một phương pháp so sánh các đồng hồ nguyên tử.

Những cái lược tần hiện nay hoạt động ở tần số quang học, và nhà vật lí đã cố gắng mở rộng chúng sang vùng tử ngoại và xa hơn nữa. Một hướng đi có triển vọng là một quá trình gọi là sự phát xạ điều hòa cao (HHG), nhờ đó một laser cường độ mạnh làm ion hóa các nguyên tử trong một chất khí rồi sau đó tăng tốc các electron, làm cho chúng phát ra những photon tần số cao. HHG đã được sử dụng để tạo ra các xung ánh sáng XUV, nhưng không có đoàn xung nào có chất lượng đủ cao để tạo ra một cái lược XUV thực tiễn.

Ảnh minh họa sự lược tần tử ngoại cực ngắn (XUV). Ảnh: Ye Group

Một cái lược tinh tế

Một khó khăn trong việc chế tạo một cái lược XUV thực tế làm đảm bảo rằng những xung liên tiếp nhau có mức độ kết hợp pha cao trong những khoảng thời gian dài tới hàng giây đồng hồ. Một thách thức nữa là tạo ra những xung đủ mạnh để cái lược có thể dùng để tiến hành những thí nghiệm quang phổ học nguyên tử. Tuy nhiên, nay Jun Ye cùng các đồng nghiệp tại Liên Viện Thiên văn học Vật lí Phòng thí nghiệm (JILA) ở Boulder, Colorado, là những người đầu tiên chứng minh một kĩ thuật xử lí tốt cả hai vấn đề này.

Kĩ thuật của họ sử dụng một laser công suất cao để tạo ra một cái lược hồng ngoại cường độ mạnh bên trong một hộp cộng hưởng quang. Sau đó cho cái hộp chứa đầy chất khí xenon, cung cấp môi trường cho HHG, nhờ đó những xung hồng ngoại mạnh tạo ra những xung ánh sáng XUV. Những xung XUV này phản xạ tới lui bên trong hộp cộng hưởng, tạo ra một cái lược thứ hai. Theo Ye, phần lớn kì công trên là thuộc về Ingmar Hartl và các đồng sự tại công ti IMRA America có trụ sở ở Michigan, họ đã thiết kế và cung cấp laser công suất cao dùng trong thí nghiệm.

Còn hoạt động với krypton

Cái lược còn hoạt động với krypton là chất khí HHG. Trong cả hai trường hợp, đội nghiên cứu đều có thể tạo ra những cái lược ánh sáng trong ngưỡng bước sóng 40 – 120 nm, tương ứng với ag XUV. Để chứng minh cái lược, Ye và các đồng sự đã sử dụng nó để nghiên cứu những chuyển tiếp nguyên tử nhất định ở argon và neon tương ứng tại bước sóng 82 nm và 63 nm. Trong cả hai trường hợp, họ chứng minh được rằng ánh sáng phát ra từ một cái răng lược là đủ mạnh để phân giải các chuyển tiếp đó. Patrick Gill thuộc Phòng thí nghiệm Vật lí Quốc gia Anh đã mô tả nghiên cứu trên “một ví dụ hay của việc sử dụng mode lược của HHG để nghiên cứu quang phổ học photon độc thân trong vùng XUV”.

Ye cho biết cái lược tần mới này sẽ mở ra cánh cửa bước sang một ngưỡng rộng những phép đo mới, trong đó có những phép đo kiểm tra lí thuyết lượng tử một vật và hai vật trong các hệ giống như nguyên tử. Người ta còn có thể sử dụng lược tần trong “đồng hồ hạt nhân” thế hệ tiếp theo, chúng hoạt động dựa trên những chuyển tiếp hạt nhân và ‘tíc tắc’ ở tần số cao hơn so với đồng hồ nguyên tử. Những ứng dụng quan trọng khác có thể là những phép đo trong phòng thí nghiệm và những phép đo thiên văn vật lí của những biến thiên của những hằng số cơ bản như hằng số cấu trúc tinh tế - cái có thể hướng đến nền vật lí mới vượt ngoài Mô hình Chuẩn.

Ted Hänsch tại trường LMU Munich mô tả công trình nghiên cứu trên là “một cột mốc quan trọng trên con đường hướng tới lộ trình sử dụng lược tần XUV trong nghiên cứu quang phổ.” Hänsch là người cùng nhận giải Nobel Vật lí năm 2005 cho việc phát minh ra lược tần. “Tôi cảm thấy lạc quan trước việc các kĩ thuật lược tần có thể đẩy tới những bước sóng ngắn hơn, nhưng sự kết hợp pha tương hỗ cần thiết của những xung liên tiếp sẽ khiến việc đạt tới chế độ tia X có chút khó khăn hơn,” ông nói.

Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature 10.1038/nature10711.

Hoài Ân – thuvienvatly.com
Theo physicsworld.com