Dùng laser lập bản đồ các liên kết hóa học

Các nhà khoa học ở Mĩ là những người đầu tiên kết hợp laser hồng ngoại và laser tia X để nghiên cứu tính chất điện tử của vật chất. Kĩ thuật cho chiếu ánh sáng hồng ngoại vào một mẫu kim cương đồng thời cũng được rọi tia X. Một phần ánh sáng bị hấp thụ bởi các electron hóa trị của kim cương và năng lượng của nó khi đó được truyền sang một phần tia X tán xạ từ mẫu ra. Điều này cho phép đội khoa học phân biệt giữa tia X tương tác với các electron hóa trị và tia X tán xạ từ các electron lõi của mẫu – cái trước đây chưa từng làm được.

Kĩ thuật tán xạ tia X là cho tia X bật trên những đám mây electron bao xung quanh các hạt nhân của chất liệu và nghiên cứu hệ vân giao thoa sinh ra. Trong khi kĩ thuật này cung cấp nhiều thông tin về cấu trúc và thành phần của các chất liệu, thì nó lại cho biết ít thông tin về các electron hóa trị hoạt tính hóa học của mẫu. Đó là vì phần lớn các electron liên quan đến quá trình tán xạ là các electron “lõi”, chúng không tham gia vào các quá trình hóa học.

Hơn 40 năm trước, Isaac Freund và Barry Levine tại Bell Labs đã đề xuất một cách khắc phục vấn đề này. Họ trình bày rằng nếu mẫu được rọi ánh sáng laser, thì các electron hóa trị sẽ phản ứng bằng cách dao động ở tần số laser đó. Một phần năng lượng dao động khi đó truyền sang các tia X khi chúng tán xạ từ các electron hóa trị trong một quá trình gọi là “trộn sóng”. Như vậy, các tia X tán xạ từ các electron hóa trị sẽ ló ra ở một năng lượng hơi cao hơn, tức là bằng tổng năng lượng tia X tới và năng lượng laser.

Ảnh mô phỏng trên máy tính của mật độ electron hóa trị của kim cương. Các electron hóa trị là những vùng màu trắng và xanh lam. Còn những vùng màu tối là các electron lớp trong của các nguyên tử carbon. (Ảnh: Thornton Glover et al.)

Cần cường độ cao

Tuy nhiên, hiệu ứng trên là nhỏ, và để nhìn thấy nó đòi hỏi một chùm tia X cực mạnh – cái hiện nay chỉ có tại Nguồn Sáng Kết hợp Thẳng (LCLS) tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc quốc gia SLAC ở California, Mĩ, nơi công trình mới nhất này được thực hiện bởi Thornton Glover và các đồng sự. Đội khoa học đã nghiên cứu kim cương vì tính chất điện tử và cấu trúc của chất liệu này đã được người ta biết rõ. Không phải là một laser theo ý nghĩa thông thường, LCLS được gọi là một laser electron độc thân (FEL) vì nó tạo ra những xung tia X kết hợp cao giống như laser.

Để nghiên cứu các electron hóa trị, đội khoa học đã chiều đồng thời các xung tia X 8 keV và xung hồng ngoại vào mẫu. Phần lớn chùm tia X chịu sự nhiễu xạ bình thường và rời khỏi mẫu kim cương ở một góc nhất định. Tuy nhiên, một phần chùm tia X hấp thụ năng lượng từ các electron hóa trị và năng lượng hơi tăng lên một chút. Những tia X này rời khỏi mẫu ở một góc hơi khác và được chiếu qua một lỗ nhỏ để chặn lại phần lớn chùm tia nhiễu xạ cường độ mạnh hơn.

Bằng cách đo cường độ của các tia X tăng năng lượng là một hàm của góc tán xạ, đội khoa học đã có thể tính ra mật độ electron hóa trị theo một hướng nhất định của mạng tinh thể kim cương. Kết quả khớp với cái chúng ta đã biết về carbon, cho thấy kĩ thuật trên hoạt động suôn sẻ.

Các mô phỏng trên máy tính

Để có một hình ảnh 3D hoàn chỉnh của mật độ electron hóa trị, cần lặp lại phép đo trên ở một số định hướng khác của tinh thể kim cương – những phép đo cho đến nay đội khoa học chưa báo cáo. Tuy nhiên, dựa trên những kết quả sơ bộ của họ, Glover và các đồng sự đã thực hiện những mô phỏng trên máy tính cho thấy những phép đo như vậy sẽ cung cấp các bản đồ của các liên kết hóa trị bên trong tinh thể kim cương (xem hình).

Giờ thì đã biết các phép đo trộn sóng có thể thực hiện bằng LCLS, Glover tin rằng kĩ thuật trên có thể dùng để nghiên cứu nhiều chất liệu đa dạng. “Những loại thí nghiệm nhiễu xạ dễ nhất là với các tinh thể, và có rất nhiều cái để tìm hiểu,” ông nói. “Ví dụ, có thể dùng áp dụng để làm biến đổi trật tự từ trong những chất liệu tiên tiến, nhưng thường thì người ta không rõ lắm ánh sáng đó làm được những gì, ở cấp độ vi mô, để gây ra những biến đổi này.”

Làm sáng tỏ sự quang hợp

Nhìn xa ngoài những chất liệu kết tinh ra, Glover còn tin rằng kĩ thuật trên có thể làm sáng tỏ về sự quang hợp, trong đó năng lượng photon được biến đổi thành hóa năng và sau đó chuyển hóa trong những quá trình xảy ra trên cỡ thời gian pico giây. “Sẽ thật hay nếu chúng ta có thể sử dụng sự trộn tia X và sóng quang học để tạo ra những hình ảnh không gian thực của quá trình này khi nó đang xảy ra, để hiểu rõ thêm về những phương diện lượng tử của sự chuyển hóa năng lượng đó,” Glover nói.

Tuy nhiên, Glover trình bày rằng một phép đo như vậy sẽ đòi hỏi những laser tia X có tốc độ lặp lại cao hơn nhiều so với cái đã có hiện nay. “Các laser electron tự do trong tương lai sẽ kết hợp độ sáng cao với tốc độ lặp lại cao, và sự kết hợp này sẽ mở ra những khả năng mới cho việc khảo sát sự tương tác của ánh sáng và vật chất ở cấp độ nguyên tử.”

Tham khảo: http://www.nature.com/nature/journal/v488/n7413/full/nature11340.html

123physics (thuvienvatly.com)
Nguồn: physicsworld.com