“Thước” cực tím đo thế giới nguyên tử
Chiếc “thước” chính xác nhất thế giới tạo ra bằng ánh sáng cực tím cực trị được các nhà khoa học thuộc JILA (cơ quan hợp tác giữa Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia NIST và trường Đại học Colorado ở Boulder) chế tạo và trình diễn với xung lade siêu nhanh.
Dụng cụ mới, tạo xung ánh sáng chỉ trong vài femto giây (bằng một phần triệu tỷ của giây) trong vùng cực tím của phổ điện từ dự kiến sẽ là một công cụ quan trọng để đo lường siêu chính xác trong nhiều lĩnh vực khoa học, như hóa học, vật lý và thiên văn. Thước chế tạo bằng bước sóng ánh sáng ngắn hơn tạo khả năng "nhìn" những sự khác biệt chính xác hơn trước đây chưa từng có về mức năng lượng của sự phát xạ ánh sáng để nhận dạng các nguyên tử cụ thể, trong thời gian các phản ứng hóa học, hoặc, nếu phát triển được các ứng dụng khác, trong phạm vi kích thước của một số vật thể ở quy mô nano.
Dụng cụ này cũng có thể so sánh với camera có tốc độ cửa chập siêu nhanh và tốc độ khung của từng loạt ngắm nhất quán và ổn định, cho phép các nhà khoa học thu được "các bức ảnh" của các cấu trúc tinh vi và động lực học theo thời gian thực. Bằng cách "chải" nhiều cấu trúc như vậy với tốc độ cao, các nhà khoa học có thể hiểu chi tiết hơn nhiều hiện tượng.
Theo Jun Ye, Nhà lãnh đạo nhóm nghiên cứu của JILA, nguồn ánh sáng cực tím này có độ phân giải đặc biệt cao. Về khía cạnh công nghệ, hệ thống được sử dụng để tạo ra ánh sáng đơn giản và rẻ, không cần sử dụng máy khuếch đại mạnh.
Dụng cụ lade mới tạo ra chiếc "lược chải tần số", được gọi như vậy vì phổ tần, biểu thị đồ họa các mẫu mà nhiều sóng lade tiếp nối thiết lập lên nhau, trông giống như các răng đều của chiếc lược chải tóc. Dụng cụ lược mới này là phiên bản bước sóng ngắn của các lược tần số quang học trong những năm gần đây đã cho phép trình diễn loại đồng hồ nguyên tử quang học, dự báo có độ chính xác gấp 100 lần so với đồng hồ nguyên tử dựa trên cơ sở vi sóng ngày nay. Lược femto giây, gọi như vậy do lược có tốc độ (hoặc tỷ suất lặp) cao, có bộ răng tinh vi nhỏ nhất so với bất kỳ loại thước đo quang học nào.
Dụng cụ của JILA sử dụng quy trình gọi là "thiết lập sự hài hòa cao" để biến đổi các xung lade hồng ngoại có bước sóng micromét thành ánh sáng cực tím năng lượng cao có bước sóng hàng chục nanomét. Sự biến đổi này diễn ra khi trường lade mạnh bức xạ ra các khí rất ổn định như xenon. Các nguyên tử được ion hóa và các electron được giải phóng sau đó được kéo lại nguyên tử bố mẹ bởi trường ánh sáng và phát ra ánh sáng với tần số cao gấp nhiều lần tần số của ánh sáng lade ban đầu. Kết quả là tạo ra lược chải ở vùng khác của phổ điện từ có các khoảng cách nhất quán giống nhau giữa các răng như cái lược ban đầu.
Trước đây, các nhà khoa học đã dựa vào máy khuếch đại có tỷ suất độ lặp thấp để tạo ra cường độ ánh sáng đủ lớn cho quy trình hài hòa, tuy nhiên lại làm mất sự nhất quán của cấu trúc lược. Các thiết kế khác của nguồn ánh sáng bước sóng ngắn nói chung là phức tạp và đắt. Nhóm nghiên cứu của JILA đã khắc phục được những vấn đề này bằng cách kết hợp lade femto giây tỷ suất lặp cao nhưng năng lượng xung thấp cho lỗ rỗng chất lượng cao được trang bị với vòi phun khí xenon. ánh sáng lade uốn đi uốn lại xuyên qua khí ion hóa giữa 6 gương được thiết kế đặc biệt trong chân không. Quá trình này gia tăng cường độ ánh sáng gấp gần 1000 lần, mà vẫn duy trì được cấu trúc lược sau hàng trăm lần di chuyển.
Các gương có độ phản xạ cao và được thiết kế để hội tụ ánh sáng rất hiệu quả. Nhóm nghiên cứu JILA đã phát triển các thông số và kỹ thuật mô tả đặc trưng của gương. Gương càng có thể duy trì ánh sáng di chuyển xuyên qua các mẫu khí ion hóa càng lâu, mà không tạo ra xung và làm mất hình dạng ban đầu, thì càng có thể tạo ra bước sóng càng ngắn.
Hệ thống này đơn giản hơn các nguồn ánh sáng bước sóng ngắn thông thường, dùng lade tiêu chuẩn như là bộ tạo dao động, không cần sử dụng các phương pháp khuếch đại xung phức tạp. Sự "tái luân chuyển" liên tục của ánh sáng lade bởi các gương cũng cải thiện đáng kể hiệu quả sản xuất lược so với các hệ thống thông thường.
Nguồn: Sciencedaily, 2/2006
