Ảnh chụp thiết bị hội tụ chùm tia bằng từ trường. (Ảnh: Science/AAAS)
Các nhà vật lí ở Israel vừa sử dụng một phiên bản hiện đại của thí nghiệm Stern-Gerlach để phân tách các phân tử theo spin tương đối của các nguyên tử hydrogen thành phần của chúng. Theo các nhà nghiên cứu, khả năng tạo ra một mẫu nước với một spin hạt nhân rõ ràng như thế nào có thể làm tăng đáng kể độ nhạy, và do đó là khả năng ứng dụng, của sự cộng hưởng từ hạt nhân (NMR).
Các phân tử nước có hai dạng, hay đồng vị, tùy thuộc vào spin của hai nguyên tử hydrogen của chúng định hướng tương đối với nhau như thế nào. Khi hai spin đó song song thì các phân tử được gọi là “ortho”, và khi đối song thì chúng được gọi là “para”. Các nhà khoa học muốn biết nhiều thêm về hai đồng vị đó khác nhau như thế nào và chúng biến đổi từ dạng này sang dạng kia như thế nào. Để làm công việc này, trước tiên bạn phải tách biệt hai đồng vị đó – công việc tỏ ra rất khó khăn.
Vào năm 2002, các nhà nghiên cứu người Nga đã cho hơi nước tiếp xúc với một chất nền và nhận thấy nước-ortho có xu hướng bám dính kém đối với bề mặt, cho nên để lại nhiều hơi nước ở dạng đồng vị đó. Tuy nhiên, các nhóm nghiên cứu khác đã không thể tái dựng thí nghiệm trên, khiến kết quả trên bị nghi ngờ. Các phương pháp tách khác, thí dụ như sử dụng điện trường mạnh hoặc laser để tách li các đồng vị, thì chưa mang lại thành quả gì.
Stern-Gerlach tái xuất
Công trình nghiên cứu mới, do Gil Alexandrowicz cùng các đồng nghiệp tại Viện Công nghệ Israel ở Haifa thực hiện, sử dụng nguyên lí mà Otto Stern và Walter Gerlach đã khai thác trong thí nghiệm tiên phong của họ hồi năm 1921. Stern và Gerlach đã có thể tách li một chùm nguyên tử bạc thành hai nhóm, theo cái sau này được hiểu là spin, hay xung lượng góc nội tại, của các nguyên tử. Để làm như vậy, họ đã cho chùm tia đi qua một từ trường có độ lớn biến thiên theo một trục vuông góc với chùm tia - ở phía này của chùm tia mạnh hơn ở phía kia – nghĩa là cac nguyên tử bị ép về phía này hay phía kia tùy thuộc vào spin của chúng là hướng lên hay hướng xuống.
Thí nghiệm mới nhất này có chút phức tạp hơn, vì trạng thái spin của các phân tử nước hơi phức tạp trạng thái spin của các nguyên tử bạc. Spin của hai nguyên tử hydrogen trong mỗi hạt nhân có thể kết hợp theo bốn cách khác nhau, dẫn tới một “bộ ba” ortho với tổng spin bằng 1 và một “bộ đơn” para với tổng spin bằng 0.
Đi qua sáu đỉnh
Để phân biệt giữa những trạng thái khác nhau này, nhóm người Israel đã cho một chùm phân tử nước đi qua một từ trường “sáu đỉnh” có gradient biến thiên từ không đến giữa chùm tia và tăng tuyến tính theo bán kính, thay vì mạnh dần từ phía này sang phía kia chùm tia. Sự sắp xếp hoạt động giống như một thấu kính, làm hội tụ các phân tử với tổng spin bằng 1 và một “ảnh chiếu spin” bằng 1 đến một điểm cách nam châm một khoảng hữu hạn, trong khi vẫn để những phân tử khác (có tổng spin bằng 1 và ảnh chiếu spin bằng 0 hoặc – 1 hoặc tổng spin bằng 0) đi theo những đường phân kì.
Đội nghiên cứu còn phải tìm cách làm chậm chùm tia sao cho các phân tử nước có thời gian để hơi bị chệch hướng khi chúng đi qua nam châ. Các nhà nghiên cứu làm như thế bằng cách trộn lẫn 3% hơi nước với 97% chất khí krypton, các nguyên tử krypton nặng hơn có vận tốc thấp hơn và có xu hướng làm chậm toàn bộ chùm tia. Sau đó, họ đặt mộc lỗ nhỏ rộng 0,5 mm tại tiêu điểm hội tụ như trông đợi của chùm tia, cách nguồn phát chừng 2 m, và quét lỗ nhỏ ngang qua chùm tia, ghi lại cấu tạo nước biến thiên như thế nào. Các phép đo của họ cho thấy một chùm hội tụ với đường kính chừng 1,5 mm, chứa khoảng 97% nước ortho và chỉ 3% nước para.
Theo Alexandrowicz, sự lọc lựa các phân tử nước theo spin của chúng như thế này có thể làm cho NMR hoạt động nhạy hơn nhiều. NMR sử dụng một từ trường mạnh để sắp thẳng hành spin của các hạt nhân từ, thí dụ như proton trong nước, và sau đó đặt những hạt nhân này trước các xung vô tuyến. Việc đo tần số tại đó các hạt nhân tiến động xung quanh hướng của trường mang lại thông tin về môi trường vật lí và hóa học của hạt nhân.
NMR mặt là có thể?
Tuy nhiên, thật không may, ngay cả với một trường rất mạnh, chỉ có một tỉ lệ nhỏ hạt nhân có thể làm cho sắp thẳng hàng ngay lúc đầu, nghĩa là tín hiệu ra là yếu. Cho nên việc thực hiện các phép đo của mẫu nước trong đó hầu như toàn bộ các spin hạt nhân nằm cùng chiều nhau sẽ mang lại một tín hiệu mạnh hơn nhiều. Theo Alexandrowicz, điều này có thể mở rộng công dụng của NMR, cho phép nó, chẳng hạn, được sử dụng trong khoa học bề mặt – hiện nay chỉ có nước ở dạng khối mới chứa đủ các phân tử để tại ra một tín hiệu có thể đo được.
Alexandrowicz cho biết thêm rằng chùm tia chọn lọc spin có khả năng sẽ không thể áp dụng cho phép chụp ảnh cộng hưởng từ y khoa (MRI), vì những lượng nhỏ của nước ortho mà nó tạo ra lẫn thực tế là sự phân cực spin (tự phân tách đồng vị) đó có khả năng chỉ tồn tại trong thời gian ngắn. Ông cho biết nhóm của ông sẽ nghiên cứu xem sự phân cực spin này trụ vững được bao lâu trong những lớp mỏng phân tử nước lắng trên một bề mặt, sử dụng chùm tia hội tụ bằng từ trường, và rồi sẽ tiến tới thực hiện các nghiên cứu NMR cực nhạy trong tương lai gần.
Các kết quả công bố trên tạp chí Science 331 319.
Theo Edwin Cartlidge – physicsworld.com
