Trong năm 1999, nhà hóa học Ai Cập Ahmed Zewail đã nhận được giải Nobel do đã đo lường được tốc độ mà tại đó các phân tử thay đổi hình dạng của chúng. Ông đã lập ra lĩnh vực hóa học femto – một lĩnh vực hóa lý nghiên cứu về các phản ứng hóa học ở mức thang thời gian cực độ theo trật tự để nghiên cứu tương tác của các nguyên tử bên trong phân tử tái sắp xếp chính mình để hình thành các phân tử mới.

Ahmed Zewail đã dùng các tia laser siêu ngắn bởi việc hình thành và phá vỡ các liên kết hóa học xuất hiện trong khoảng thời gian đo bằng femto giây (một femto bằng 10−15 giây).

Zepto giây
Zepto giây

Hiện tại, các nhà vật lý nguyên tử trong nhóm nghiên cứu của giáo sư Reinhard Dörner tại trường đại học Goethe đã lần đầu tiên nghiên cứu về một quá trình còn diễn ra thang thang thời gian còn ngắn hơn cả femto giây. Họ đo lường xem cần bao nhiêu thời gian để cho một photon đi qua một phân tử hydro: khoảng 247 zepto giây ((một zepto giây bằng 10−21 giây) cho một trung bình độ dài liên kết của phân tử đó. Đây là khoảng thời gian ngắn nhất đã được đo một cách thành công.

Các nhà khoa học đã thực hiện việc đo đạc thời gian trên một phân tử hydro (H2)\, vốn được họ chiếu xạ bằng các tia X từ nguồn phát tia X tên là PETRA III tại DESY, cơ sở máy gia tốc Hamburg. Họ đã thiết lập mức năng lượng của các tia X để cho phép một photon đẩy được thành công cả hai electron khỏi phân tử hydro. Kết quả phát hiện được xuất bả trên Science với tiêu đề “Zeptosecond Birth Time Delay in Molecular Photoionization”

Các electron hành xử như cả hạt lẫn sóng cùng lúc, do đó việc đẩy electron đầu tiên khỏi phân tử hydro dẫn đến kết quả là các sóng electron lần đầu tiên xuất hiện trong phân tử thứ nhất và sau đó trong nguyên tử phân tử thứ hai cũng xảy ra hiện tượng tương tự, cùng với việc sáp nhập các sóng.

Photon đó cũng hành xử như một viên sỏi mỏng nhảy lướt trên mặt nước: khi một sóng thấp gặp một đỉnh sóng, các con sóng của dòng nước thứ nhất và thứ hai tiếp xúc với nhau và làm triệt tiêu nhau, kết quả là xuất hiện mẫu hinh giao thoa.

Các nhà khoa học đã đo đạc mẫu hình giao thoa của electron bị loại thứ nhất bằng việc sử dụng kính hiển vi phản ứng COLTRIMS, một thiết bị mà Dörner đã giúp phát triển và dùng để các quá trình phản ứng diễn ra nhanh hơn trong các nguyên tử và phân tử có thể quan sát được. Song song với mẫu hình giao thoa đó, kính hiển vi các phản ứng COLTRIMS cũng cho phép xác định hướng của phân tử hydro. Các nhà nghiên cứu đã tận dụng lợi thế của việc electron thứ hai cũng rời phân tử, vì vậy hạt nhân hydro còn lại bay ra và họ có thể dò được.

“Kể từ lúc chúng tôi biết định hướng không gian của phân tử hydro, chúng tôi đã dùng sự giao thoa của hai sóng electron để đo đạc một cách chính xác khi nào thì photon chạm đến sóng đầu tiên và khi nào nó chạm đến nguyên tử hydro thứ hai”, Sven Grundmann, postdoc và người tham gia thực hiện nghiên cứu giải thích. “Và con số này lên tới 247 zepto giây”.

Giáo sư Reinhard Dörner cho biết thêm: “Lần đầu tiên, chúng tôi có thể quan sát được lớp vỏ electron trong một phân tử không tương tác với ánh sáng ở mọi nơi trong cùng thời điểm. Thời gian trễ xuất hiện bởi vì thông tin bên trong phân tử không chỉ lan truyền theo tốc độ ánh sáng. Với phát hiện này, chúng tôi đã mở rộng công nghệ COLTRIMS của chúng tôi cho những ứng dụng khác”.

Anh Vũ dịch / Tạp Chí Tia Sáng

Nguồnhttps://phys.org/news/2020-10-zeptoseconds-world-short.html