Sự sản sinh electron quang điện thông qua ion hóa là một trong những quá trình cơ bản nhất trong tương tác giữa ánh sáng và vật chất. Thế nhưng, vẫn còn đó những câu hỏi sâu sắc về cách photon truyền động lượng của chúng sang electron. Với một nghiên cứu đầu tiên dưới mức femto giây về sự truyền động lượng photon trong một quá trình ion hóa, các nhà vật lí ETH đã đem lại những kiến thức mới chưa có tiền lệ về sự ra đời của quang electron.
Ảnh 3D tái dựng sự phân bố động lượng quang electron, cùng với một phác thảo về elip phân cực và hướng chùm tia. Ảnh: ETH Zurich, D-PHYS, nhóm Keller.
Tương tác giữa ánh sáng và vật chất là cơ sở của nhiều hiện tượng căn bản và nhiều công nghệ thực tiễn. Nổi tiếng nhất, trong hiệu ứng quang điện, các electron được phát ra từ một vật liệu khi được chiếu ánh sáng có năng lượng thích hợp. Căn nguyên của hiện tượng vẫn là một điều khó hiểu trong một thời gian dài, và chỉ với sự ra đời của thuyết lượng tử – và nhờ thiên tài của Albert Einstein – hiệu ứng mới được hiểu đầy đủ.
Einstein nhận Giải Nobel Vật lí 1921 cho khám phá của ông về các định luật nền tảng ấy, và kể từ đó hiệu ứng đã được khai thác trong vô số ứng dụng từ quang phổ học cho đến các dụng cụ nhìn đêm. Trong một số trường hợp quan trọng, nguyên lí then chốt không phải sự truyền năng lượng mà là truyền động lượng – hay, xung lực – từ photon sang electron. Chẳng hạn, đây là trường hợp khi dùng ánh sáng laser làm lạnh các vật thể vi mô và vĩ mô, hay để tìm hiểu hiện tượng áp suất bức xạ.
Mặc dù sự truyền động lượng quan trọng như thế, nhưng các chi tiết cụ thể làm thế nào ánh sáng truyền xung lực của nó lên vật chất vẫn chưa được hiểu trọn vẹn. Một lí do là vì xung lực được truyền biến đổi quá nhanh trong một chu kì quang học, ở cấp thời gian cực nhanh, dưới femto giây. Cho đến nay, các nghiên cứu chủ yếu mới làm sáng tỏ thông tin về hành trạng thời gian trung bình, bỏ qua những khía cạnh phụ thuộc thời gian của sự truyền động lượng trong quá trình quang ion hóa. Khoảng trống này vừa được lấp đầy bởi nhóm nghiên cứu của Ursala Keller tại Viện Điện tử học Lượng tử, như họ tường thuật trong một bài báo công bố trên tạp chí Nature Communacations.
Họ xét trường hợp cường độ ánh sáng laser mạnh, trong đó nhiều photon cùng tham gia vào quá trình ion hóa, và nghiên cứu xem bao nhiêu động lượng được truyền theo hướng truyền laser. Để đạt tới độ phân giải thời gian thích hợp, họ triển khai cái gọi là kĩ thuật đồng hồ atto, kĩ thuật được phát triển và tinh chỉnh trong phòng lab của Keller trong hơn một thập niên qua. Trong phương pháp này, họ đạt tới độ phân giải thời gian atto giây mà không phải tạo ra các xung laser atto giây. Thay vậy, họ dùng thông tin về vector trường laser quay liên hệ gần với ánh sáng phân cực tròn để đo thời gian so với sự kiện ion hóa với độ chuẩn xác atto giây. Y hệt như kim đồng hồ - chỉ có điều bây giờ kim đồng hồ này đang quay theo một vòng tròn đầy đủ trong một chu kì quang học kéo dài 11,3 fs.
Với công cụ linh hoạt này trong tay, các nhà vật lí ETH đã có thể xác định được electron thu được bao nhiêu động lượng khi quang electron ‘ra đời’. Họ tìm thấy phần động lượng được truyền theo hướng truyền của laser quả thật phụ thuộc vào lúc nào trong chu kì dao động của laser electron được ‘giải phóng’ khỏi vật chất, trong trường hợp của họ là các nguyên tử xenon. Điều này có nghĩa là ít ra là đối với kịch bản họ khảo sát, bức tranh áp suất bức xạ thời gian trung bình không thích hợp. Tuyệt hơn nữa, họ còn có thể tái dựng hành trạng quan sát thấy hầu như đầy đủ trong khuôn khổ một mô hình cổ điển, trong khi nhiều kịch bản tương tác ánh sáng-vật chất, ví dụ sự tán xạ Compton, chỉ có thể giải thích theo mô hình cơ lượng tử.
Tuy nhiên, mô hình cổ điển phải được mở rộng để xét tương tác giữa quang electron thoát ra và ion xenon còn lại. Tương tác này, họ chỉ ra trong các thí nghiệm của mình, gây ra một độ trễ atto giây nữa trong thời gian truyền động lượng so với dự đoán lí thuyết cho một electron tự do ra đời trong xung đó. Những độ trễ như vậy có là một tính chất chung của sự ion hóa hay không, hay chúng chỉ ứng với loại kịch bản được nghiên cứu trong công trình hiện nay, đó là vấn đề còn bỏ ngõ. Tuy nhiên, cái rõ ràng là với nghiên cứu mới này về sự truyền động lượng trong quá trình ion hóa trên cấp thời gian tự nhiên của quá trình, nhóm Keller đã mở ra một lộ trình mới đầy hào hứng để khảo sát bản chất căn bản nhất của tương tác ánh sáng-vật chất; từ đó đem lại triển vọng cho khoa học atto giây.
Nguồn: PhysOrg.com
