Giải Nobel Vật lý 2018: Hai phát minh quan trọng trong lĩnh vực tia laser

Bà Donna Strickland thuộc đại học Waterloo, Canada đã trở thành người phụ nữ thứ 3 nhận giải Nobel Vật lý trong trong lịch sử, sau Marie Curie năm 1903 và Maria Goeppert-Mayer năm 1963.

Ông Arthur Ashkin thuộc Phòng thí nghiệm Bell của Mỹ nhận 1/2 giải Nobel Vật lý năm nay vì đã phát minh ra “kẹp quang học”, nửa còn lại được bà Strickland (người Canada) chia sẻ với ông Frenchman Gerard Mourou thuộc đại học École Polytechnique, Pháp, vì cống hiến trong lĩnh vực tia laser cường độ cao.

Cụ thể, ông Ashkin đã phát minh ra cái gọi là “kẹp quang học,” tia sáng được tập trung cao độ có thể giữ cố định các hạt, nguyên tử và tế bào sống. Phát minh này giờ đã trở thành công cụ phổ biến trong các phòng thí nghiệm sinh học trên thế giới.

Ông Mourou và bà Strickland đã phát hiện ra cách kéo giãn và khuếch đại tia laser để tạo ra các xung laser có bước sóng cực ngắn và mãnh liệt.

>> Giải Nobel Y học 2018: Liệu pháp giúp hệ miễn dịch tự tấn công ung thư

Trong thông cáo báo chí, Học viện khoa học Hoàng gia Thụy Điển viết rằng công trình gộp lại của 3 nhà khoa học trên đã “mở ra những lĩnh vực nghiên cứu mới và hàng loạt ứng dụng trong công nghiệp và y khoa.”

Khi một phóng viên hỏi bà Strickland cảm nhận khi trở thành người phụ nữ thứ 3 trong lịch sử nhận thưởng danh giá này, bà đáp: “Thật ư? Chỉ có từng có người? Tôi tưởng phải có nhiều hơn. […] Tôi không biết phải nói gì. Tôi rất vinh dự được đứng chung với những phụ nữ này.”

Dưới đây chúng ta sẽ tìm hiểu một chút về những phát triển mới trong lĩnh vực laser mà 3 nhà khoa học trên đã đóng góp.

Chiếc bẫy ánh sáng

“Kẹp quang học” từng chỉ nằm trong lĩnh vực khoa học viễn tưởng, nổi tiếng nhất là loại tia sáng có thể di chuyển vật thể hay cả phi thuyền trong phim Star Trek. Nhưng nhà nghiên cứu Authur Ashkin đã từng mơ một ngày nào đó có thể dùng tia sáng laser để di chuyển các đồ vật nhỏ.

Năng lượng của tia sáng không đủ mạnh để di chuyển con người, nhưng nó có thể đẩy các hạt nhỏ di động. Ông Ashkin đã tìm ra cách để di chuyển các hạt tròn nhỏ trong suốt. Ông cũng nhận ra rằng các hạt tròn này dường như “bay” về phía lõi có cường độ mạnh nhất của tia laser.

Điều này xảy ra là do cường độ của tia, bất kể là tập trung nhỏ tới đâu, đều sẽ giảm dần khi đi từ lõi ra phía ngoài. Như vậy tia laser sẽ tác động lực lên hạt nhỏ không đều, kéo nó về phía trung tâm (của tia).

Người ta còn có thể làm hạt nhỏ bay lơ lửng trong không khí bằng cách chiếu tia từ dưới lên – tương tự như cách bạn dùng máy sấy tóc thổi một quả bóng bàn từ dưới lên và làm cho nó lơ lửng trên không.

Cuối cùng ông Ashkin còn nghĩ ra cách: dùng một ống kính mạnh để tập trung hơn nữa ánh sáng laser đến mức các hạt nhỏ bị giữ chắc ở trung tâm của tia. Vậy là chúng ta có một loại kẹp bằng tia sáng.

Sau vài năm nghiên cứu nữa, ông lại tìm ra cách giữ các nguyên tử riêng lẻ. Cần nhiều lực hơn để giữ một nguyên tử, bởi nó có rung động nhiệt của riêng mình. Ashkin giải quyết vấn đề đó bằng cách kết hợp kẹp quang học với những phương pháp khác để làm lạnh laser và cố định nguyên tử.

>> Mọi thứ trong vũ trụ đều được tạo thành từ những rung động

Ứng dụng trong lĩnh vực sinh học đến khá tình cờ. Khi ông Ashkin liên tục thử nghiệm kẹp các hạt nhỏ hơn và nhỏ hơn nữa, ông đã thử với mẫu là virus bệnh khảm (mosaic). Một đêm nọ, ông đã để các mẫu mở chứ không đóng lại. Sáng hôm sau, ông nhận thấy xuất hiện nhiều “hạt” lớn hơn xuất hiện trong mẫu: các vi khuẩn. Và các vi khuẩn cũng bị giữ trong bẫy quang học nếu chúng bơi gần đó. Cường độ của tia laser xanh lục có thể giết những vi khuẩn cứng đầu này, nhưng nếu chuyển sang ánh sáng hồng ngoại, vi khuẩn có thể tồn tại và sinh sôi. Kẹp laser hiện đã trở thành thiết bị tiêu chuẩn trong các phòng thí nghiệm sinh học.

Các xung khuếch đại

Laser có rất nhiều ứng dụng tiềm năng, nhưng vẫn bị giới hạn ở cường độ của tia (tức các bước sóng có thể ngắn tới mức nào). Khi vượt qua ngưỡng năng lượng nhất định, tia laser có thể phá hủy chính phương tiện dùng để khuếch đại.

Bà Strickland từng là sinh viên cao học tại phòng thí nghiệm của ông Mourou ở đại học Rochester hồi thập niên 1980. Họ phát hiện rằng có thể vượt qua khó khăn trên bằng cách kéo giãn một xung laser ngắn để làm giảm năng lượng của nó, rồi mới khuếch đại. Như vậy, họ có thể khuếch đại xung mà vẫn giữ được máy móc nguyên vẹn. Sau đó, xung được thu ngắn lại, nén ánh sáng vào một không gian nhỏ hẹp, làm tăng cường độ của xung lên cực cao.

Phương pháp này gọi là Chirped pulse amplification (CPA – tạm dịch: khuếch đại xung cực điểm), hiện tại đã được ứng dụng trong vật lý, hóa học và y tế. Ví dụ, những xung cực ngắn và cực mạnh giúp bắt được các tương tác giữa nguyên tử và phân tử, vốn chỉ xảy ra trong một phần triệu hay phần tỷ của giây. Bạn có thể coi đó như một loại máy ảnh nhanh nhất thế giới.

Tia laser cường độ cao còn có thể biến chất cách điện thành dẫn điện, cắt và khoan lỗ chính xác trên nhiều loại vật liệu, hay phẫu thuật mắt bằng laser và rất nhiều ứng dụng khác…

>> Al-Naslaa – Tảng đá khổng lồ như bị cắt đôi bằng công nghệ laser?

Học viện khoa học Hoàng gia Thụy Điển gần đây đã thông báo rằng họ sẽ khuyến khích thêm sự đa dạng trong các đề cử, về giới tính, địa lý và lĩnh vực nghiên cứu. Đây là tin tốt, bởi hy vọng chúng ta sẽ không phải đợi 55 năm nữa để chờ một phụ nữ tiếp theo nhận giải Nobel Vật lý!