Theo dõi được chuyển động của các electron bên trong phân tử

Các nhà vật lí ở châu Âu vừa thành công trong việc nhìn thoáng qua chuyển động của các electron trong các phân tử. Các kết quả trên có lợi ích to lớn cho thế giới nghiên cứu. Biết được các electron bên trong phân tử chuyển động như thế nào sẽ thuận tiện cho các quan sát và cung cấp thêm kiến thức cho chúng ta về các phản ứng hóa học.

alt

Động lực học electron trong phân tử hydrogen theo sự ion hóa phát quang bởi một xung laser atto giây. Electron còn lại trong phân tử (vẽ mô tả bằng màu xanh lục) được đo bằng thực nghiệm và được chứng tỏ có diện mạo nhấp nhô như đồi núi. Các ngọn đồi và thung lũng lần lượt tương ứng với xác suất cao tìm thấy electron ở bên trái và bên phải của phân tử. © Christian Hackenberger

Công bố trên tạp chí Nature, nghiên cứu được sự ủng hộ của ba dự án do EU tài trợ.

Các nhà vật lí, đứng đầu là giáo sư Marc Vrakking, giám đốc Viện Max Born Quang học Phi tuyến và Quang phổ Xung Ngắn ở Đức, đã sử dụng các xung laser atto giây để thực hiện thành tựu kĩ thuật mới nhất này. Các nhà khoa học không thể quan sát chuyển động này trước đây vì sự chuyển động quá nhanh của các electron.

Một atto giây là một phần tỉ tỉ của một giây. Ánh sáng truyền đi một quãng đường chưa tới một phần triệu của một mm trong thời gian một atto giây. Về cơ bản đây là khoảng cách từ một đầu của một phân tử nhỏ đến đầu kia. Bằng cách tạo ra các xung laser atto giây, các nhà khoa học có thể chụp ‘ảnh’ của các chuyển động electron bên trong các phân tử.

Với mục đích của nghiên cứu này, các nhà vật lí khảo sát phân tử hydrogen (H₂) – với chỉ hai proton và hai electtron, các chuyên gia gọi H₂ là ‘phân tử đơn giản nhất’. Đội nghiên cứu sử dụng laser atto giây của họ để xác định sự ion hóa xảy ra như thế nào bên trong một phân tử hydrogen. Trong quá trình ion hóa, một electron bị lấy khỏi phân tử còn trạng thái năng lượng của electron kia thì thay đổi.

‘Trong thí nghiệm của chúng tôi, chúng tôi có thể lần đầu tiên chứng tỏ với sự hỗ trợ của một laser atto giây rằng chúng tôi thật sự có khả năng quan sát thấy chuyển động của các electron trong các phân tử’, giáo sư Vrakking giải thích. ‘Trước tiên, chúng tôi chiếu một xung laser atto giây vào một phân tử hydrogen. Việc này dẫn đến sự loại một electron ra khỏi phân tử đó – phân tử bị ion hóa. Ngoài ra, chúng tôi còn tách phân tử đó thành hai phần, sử dụng một chùm laser hồng ngoại, giống hệt như một cặp kéo nhỏ xíu’, ông bổ sung thêm. ‘Điều này cho phép chúng tôi khảo sát điện tích tự phân bố như thế nào giữa hai phần đó – vì một electron bị lấy mất, một mảnh sẽ là trung hòa và mảnh kia thì tích điện dương. Chúng tôi biết nơi electron còn lại có thể tìm thấy đó là trong phần trung hòa’.

Trong gần 30 năm qua, các nhà khoa học đã sử dụng các laser femto giây để khảo sát các phân tử và nguyên tử. Một femto giây là một phần triệu tỉ của một giây, nó chậm hơn một atto giây 1000 lần. Thật dễ theo dõi chuyển động của các phân tử và nguyên tử khi sử dụng các laser femto giây.

Các nhà khoa học đã giúp xúc tiến công nghệ này bởi việc phát triển các laser atto giây, chúng đang mang lợi ích đến cho các ngành khoa học tự nhiên, trong đó có nghiên cứu vừa trình bày ở đây.

Nhận xét về các phép tính và sự phức tạp của vấn đề, đồng tác giả tiến sĩ Matthias Kling ở Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Đức, nói: ‘Chúng tôi phát hiện đó còn là trạng thái kích thích kép, tức là với sự kích thích của cả hai electron của phân tử hydrogen, có thể góp phần cho cơ sở động học đã quan sát thấy’.

Giáo sư Vrakking kết luận: ‘Chúng tôi không – như ban đầu dự tính – giải quyết được vấn đề đó. Trái lại, chúng tôi đơn thuần chỉ là mở ra một cánh cửa mới mà thôi. Nhưng trên thực tế kết quả này khiến cho toàn bộ dự án quá trình hơn và hấp dẫn hơn rất nhiều’.