Laser tia X nguyên tử đầu tiên trên thế giới

Các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC thuộc Bộ Năng lượng Mĩ (DOE) vừa tạo ta những xung laser tia X ngắn nhất, thuần khiết nhất từ trước đến nay, hoàn thành một tiên đoán đã 45 năm và mở ra cánh cửa bước sang một địa hạt mới của sự khám phá khoa học.

Các nhà nghiên cứu đã nhắm Nguồn Sáng Kết hợp Linac (LCLS) thuộc SLAC vào một hộp chứa khí neon, giải phóng một tầng thác phát xạ tia X để tạo ra “laser tia X nguyên tử” đầu tiên trên thế giới.

“Tia X mang lại cho chúng ta cái nhìn xuyên thấu vào thế giới của các nguyên tử và phân tử,” phát biểu của nhà vật lí Nina Rohringer, người đứng đầu nghiên cứu trên. Là lãnh đạo nhóm tại Nhóm Nghiên cứu Cao cấp thuộc Hội Max Planck ở Hamburg, Đức, Rohringer hợp tác với các nhà nghiên cứu ở SLAC, Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore trực thuộc DOE và trường Đại học Colorado.

Ảnh minh họa sự hình thành laser tia X cứng nguyên tử mới. Ảnh: Gregory M. Stewart, SLAC

“Chúng tôi hình dung các nhà nghiên cứu sử dụng loại laser mới này cho mọi loại nghiên cứu hấp dẫn, ví dụ như khám phá các chi tiết của các phản ứng hóa học hoặc quan sát các phân tử sinh học đang hoạt động,” Rohringer nói. “Các xung càng ngắn thì chúng ta có thể chộp được những biến thiên càng nhanh. Và ánh sáng càng tinh khiết thì các chi tiết chúng ta nhìn thấy càng sắc nét.”

Laser tia X nguyên tử mới đã hoàn thành một tiên đoán hồi năm 1967 rằng người ta có thể chế tạo ra laser tia X theo kiểu giống như nhiều laser ánh sáng nhìn thấy – bằng cách làm cảm ứng các electron rơi từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp trong các nguyên tử, giải phỏng một ánh sáng đơn sắc trong quá trình ấy. Nhưng cho đến năm 2009, khi LCLS đi vào hoạt động, chưa có nguồn tia X nào đủ mạnh để tạo ra loại laser này.

Để tạo ra laser nguyên tử, các xung tia X mạnh của LCLS – mỗi xung sáng gấp một tỉ lần so với bất kì xung nào trước đây – đánh bật các electron ra khỏi lớp vỏ bên trong của nhiều nguyên tử neon trong bình chứa. Khi những electron khác rơi vào để lấp những chỗ trống, khoảng một trong 50 nguyên tử phản ứng bằng cách phát ra một photon trong ngưỡng tia X có bước sóng rất ngắn. Sau đó, nhưng tia X này kích thích các nguyên tử neon láng giềng phát ra nhiều tia X hơn, tạo ra một hiệu ứng domino khuếch đại ánh sáng laser lên 200 lần.

Mặc dù LCLS và bình khí neon đều là laser, nhưng chúng tạo ra ánh sáng theo những kiểu khác nhau và phát ra ánh sáng có những thuộc tính khác nhau. LCLS cho các electron năng lượng cao đi qua từ trường biến thiên để kích hoạt sự sản sinh tia X; các xung tia X của nó sáng hơn nhiều và mạnh hơn nhiều. Các xung của laser nguyên tử chỉ kéo dài khoảng một phần tám và màu sắc của chúng tinh khiết hơn nhiều, những tính chất sẽ cho phép nó rọi sáng và phân biệt các chi tiết của những phản ứng cực nhanh trước đây không thể nhìn thấy.

“Thành tựu này mở ra cánh cửa bước sang một địa hạt mới của những khả năng của tia X,” phát biểu của John Bozek, nhà khoa học thiết bị tại LCLS. “Các nhà khoa học chắc chắn sẽ muốn có những cơ sở mới khai thác ưu điểm của loại laser mới này.”

Trong các thí nghiệm trong tương lai, Rohringer cho biết bà sẽ cố gắng tạo ra những laser tia X nguyên tử xung ngắn hơn, năng lượng cao hơn, sử dụng oxygen, nitrogen hoặc chất khí sulfur.

Xuân Nguyễn – thuvienvatly.com
Nguồn: SLAC