Nobel Vật lý 2018 gọi tên công nghệ laser: Mở ra những chân trời khoa học
Giải Nobel vật lý 2018 được chia đôi cho những người tạo nên hai “phát minh đột phá trong lĩnh vực vật lý laser”, Viện hàn lâm Khoa học hoàng gia Thụy Điển công bố chiều 2-10.
Lễ công bố giải Nobel vật lý ngày 2-10 – Ảnh: REUTERS
Các phát minh được vinh danh năm nay đã cách mạng hóa ngành vật lý laser. Các vật thể cực nhỏ và các quá trình có tốc độ cực nhanh giờ đây đã có thể được quan sát theo cách mới. Những công cụ cực kỳ chính xác đã mở ra nhiều lĩnh vực nghiên cứu chưa được khai phá trước đó, và vô số ứng dụng công nghiệp và y khoa” – thông cáo của Viện hàn lâm Khoa học hoàng gia Thụy Điển.
Hai nhà vật lý Gérard Mourou (người Pháp) và Donna Strickland (người Canada) nhận một nửa giải thưởng trị giá 1 triệu USD, trong khi nửa còn lại được trao cho nhà khoa học người Mỹ Arthur Ashkin, Tổng thư ký Viện hàn lâm Khoa học hoàng gia Thụy Điển, ông Göran Hansson, công bố tại buổi lễ được trực tiếp trên Internet.
Nhíp quang học
Câu chuyện về một nửa giải Nobel năm nay có nguồn gốc từ thuở xa xưa, tận năm 1619 khi Kepler cho rằng ánh sáng có thể tạo ra áp suất. Đó là lý do vì sao đuôi của sao chổi luôn hướng ra xa phía Mặt trời. Đến năm 1873, Maxwell chứng minh được bằng lý thuyết, rằng ánh sáng đúng là tạo ra áp suất thật, khi sử dụng lý thuyết điện từ của mình.
Nhưng câu chuyện về áp suất của ánh sáng chỉ thực sự được kiểm chứng vào những năm 1960, khi laser, tức những chùm sáng đơn sắc, có cường độ cao, được phát minh ra. Trong số các nghiên cứu về laser khi đó, có nghiên cứu của Ashkin (Mỹ) về việc sử dụng chùm tia laser để di chuyển những hạt điện môi nhỏ.
Cụ thể, khi sử dụng một chùm tia laser chiếu qua một thấu kính hội tụ lên hạt điện môi có chiết suất cao hơn chiết suất của môi trường xung quanh, thì do hiện tượng khúc xạ, chùm sáng sẽ bị bẻ cong về phía bên trong hạt, làm cho động lượng của chùm sáng thay đổi.
Để bảo toàn động lượng, hạt điện môi sẽ chuyển động ngược với chiều ánh sáng để hướng về phía tiêu điểm của thấu kính. Điều này tương tự như việc chùm ánh sáng laser đã tạo ra một áp suất lên bề mặt của hạt và làm cho hạt di chuyển.
Nếu ta sử dụng hai chùm sáng ngược nhau để chiếu lên hạt thì hạt này sẽ bị kẹp lơ lửng ở giữa, tương tự như bị kẹp bởi một cái nhíp. Như thế, ta đã có một nhíp quang học, có thể kẹp chặt một hạt điện môi bởi chùm sáng laser.
Vậy nhíp quang học có thể làm được gì mà lại được giải Nobel năm nay?
Để gắp được những vật thể nhỏ thì không thể dùng tay, mà phải dùng nhíp. Nhưng hãy tưởng tượng, nếu chiếc nhíp đó không làm bằng sắt hay nhựa, mà làm bằng ánh sáng thì chuyện gì sẽ xảy ra?
Một cách trực quan, chiếc nhíp này có thể gắp được những vật rất nhỏ, tùy thuộc vào kích thước của chùm sáng sử dụng. Và quan trọng hơn, chiếc nhíp này sẽ không gây hại gì cho vật được gắp, bởi nó làm bằng ánh sáng.
Đó chính là lý do sau khi phát minh ra nhíp quang học, Ashkin đã ứng dụng trong việc nghiên cứu các phân tử, tế bào, vi khuẩn, virút, ADN… Đây là những vật sống, khi gắp bằng nhíp ánh sáng thì chúng sẽ không bị hủy hoại do lực kẹp của nhíp.
Laser xung cực ngắn – cực mạnh
Nửa còn lại của giải Nobel vật lý năm nay được trao cho phát minh về laser xung cực ngắn, nhưng có cường độ cực mạnh, do hai nhà khoa học Mourou (Pháp) và Strickland (Canada) phát minh năm 1985.
Nhờ việc phát minh kỹ thuật tạo các xung laser cực ngắn và cực mạnh này, Mourou và Strickland đã mở ra cả một chân trời khoa học và ứng dụng mới. Trong đó, ứng dụng phổ biến nhất, mà rất có thể nhiều người đang đọc bài này cũng đã sử dụng, đó là phẫu thuật cận thị bằng tia laser.
Ngày nay, mỗi năm có hàng triệu người sử dụng kỹ thuật laser để phẫu thuật cận thị. Đó là ứng dụng trực tiếp của công trình được giải Nobel vật lý năm nay vào trong y học và đời sống hằng ngày.
Vậy hai nhà khoa học trên đã phát minh ra laser xung cực ngắn – cực mạnh (CPA) bằng cách nào? Trước khi công trình của họ ra đời, các nhà khoa học gặp vấn đề lớn trong việc nâng cường độ chùm laser, vì một lý do cơ bản: khi cường độ chùm laser quá lớn, năng lượng của nó sẽ phá hủy luôn vật liệu sinh ra nó.
Vì thế, trong hơn hai chục năm kể từ khi laser được phát minh ra, cường độ chùm laser chỉ tăng lên được khoảng 1 triệu lần. Muốn nâng cường độ chùm laser lên cao hơn nữa, cần phải có một kỹ thuật đặc biệt. Và kỹ thuật đó do Mourou và Strickland phát minh ra năm 1985, được mô tả ngắn gọn như sau:
Đầu tiên, hãy “kéo giãn” chùm laser xung trong thời gian cho nó “dài” ra, để cường độ cực đại của nó giảm xuống. Sau đó, khuếch đại cường độ chùm laser đã bị “kéo giãn” này lên nhiều lần. Và cuối cùng, “nén” chùm laser đã được khuếch đại này lại trong thời gian để nó “ngắn” lại và cường độ cực đại của nó tăng lên nhiều lần.
Dài ngắn ở đây là dài ngắn của nhịp xung, tức là khoảng thời gian sống của chùm laser khi nó được bật và tắt. Nhờ đó, ta sẽ thu được chùm laser xung cực ngắn – cực mạnh bằng kỹ thuật “kéo giãn – khuếch đại – nén lại” này.
Vì sao kỹ thuật này quan trọng, và laser xung cực ngắn – cực mạnh lại được ứng dụng vào trong y học, ví dụ như trong việc mổ bằng tia laser, hay phẫu thuật chứng cận thị của mắt? Lý do đơn giản là: để phẫu thuật bằng tia laser thì ta cần những chùm tia laser có cường độ cực mạnh. Nhưng với các chùm tia mạnh như thế, nếu chiếu vào da thịt hay các bộ phận của cơ thể quá lâu thì năng lượng của chùm tia sẽ phá hủy chúng ngay.
Do đó, để có thể sử dụng chùm laser cho việc phẫu thuật mà không gây ảnh hưởng nhiều đến các cơ quan, da thịt thì cần giảm thời gian chiếu xuống cực ngắn. Tắt rồi bật. Bật rồi tắt. Thời gian bật tắt rất ngắn.
Vật lý gọi một chùm tia laser tắt – bật liên tục như thế là laser xung. Đó là lý do vì sao các chùm tia laser xung cực ngắn, cực mạnh lại được ứng dụng trong y học.
Theo trang physicsworld.com, nhà khoa học người Mỹ Arthur Ashkin sinh năm 1922 tại TP New York.
Ông lấy bằng tiến sĩ vật lý tại Đại học Cornell (Mỹ) năm 1952 và làm việc tại phòng nghiên cứu Bell Laboratories (New Jersey) cho đến khi về hưu năm 1992. Ông Ashkin bắt đầu nghiên cứu về thao tác vi hạt với ánh sáng laser vào cuối những năm 1960, từ đó phát minh ra nhíp quang học vào năm 1986.
Theo báo The Guardian (Anh), một kỷ lục khác được ghi nhận từ lần trao giải này là ông Ashkin, 96 tuổi, đã trở thành người cao tuổi nhất được nhận giải Nobel.
Nhà vật lý Gérard Mourou sinh năm 1944 tại Albertville (Pháp).
Ông nhận bằng tiến sĩ vật lý tại Trường Paris IV năm 1973, sau đó làm việc tại Đại học Rochester (Mỹ), trước khi chuyển sang Đại học Michigan (Mỹ). Tại Đại học Michigan, ông sáng lập và làm giám đốc Trung tâm Khoa học quang học siêu nhanh vào năm 1991.
Ông từng nhận giải thưởng Wood Prize của Hiệp hội Quang học Hoa Kỳ. Năm 2004, Mourou trở về Pháp, nơi ông hiện là giáo sư Đại học École Polytechnique và giám đốc Viện nghiên cứu d’Optique Appliquee.
Nhà vật lý Donna Strickland sinh năm 1959 tại Guelph (Canada).
Bà nhận bằng tiến sĩ về quang học tại Đại học Rochester năm 1989. Bà Strickland là học trò của ông Mourou tại Đại học Rochester, khi ông này là giáo sư vật lý và dẫn đầu nhóm nghiên cứu laser siêu nhanh tại phòng thí nghiệm năng lượng laser ở đó.
Năm 1992, bà chuyển đến Trung tâm công nghệ cao về vật liệu quang tử và quang điện tử Đại học Princeton (Mỹ), trước khi chuyển về Đại học Waterloo (Canada) hồi năm 1997. Hiện bà là giáo sư và phó trưởng khoa vật lý Đại học Waterloo.
Bà là phụ nữ đầu tiên đoạt giải Nobel vật lý trong 55 năm qua, kể từ khi bà Maria Goeppert-Mayer được vinh danh với công trình cấu trúc vỏ hạt nhân năm 1963.
