Lần đầu tiên kể từ khi được đưa ra làm chủ đề nghiên cứu và ứng dụng từ hơn 80 năm trước, các nhà khoa học của Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore (NTU Singapore) đã chứng minh hiện tượng “giật lượng tử”, mô tả bản chất hạt của ánh sáng có tác động lớn như thế nào đối với các electron chuyển động thông qua vật liệu. Nghiên cứu được công bố ngày 19/1/2023 trên tạp chí Nature Photonics. Việc biến độ giật lượng tử thành hiện thực cuối cùng sẽ cho phép các nhà sản xuất tạo ra tia X có mức năng lượng cụ thể chính xác hơn, dẫn đến độ chính xác vượt trội trong các ứng dụng công nghiệp và chăm sóc sức khỏe như chẩn đoán hình ảnh và soi chiếu, NDT đối với các loại chip bán dẫn.
Độ giật lượng tử được nhà vật lý người Nga và đoạt giải Nobel Vitaly Ginzburg đưa ra lý thuyết vào năm 1940 để tính toán chính xác bức xạ phát ra khi các hạt tích điện như electron di chuyển qua một môi trường, chẳng hạn như nước, hoặc các vật liệu có hoa văn lặp đi lặp lại trên bề mặt, bao gồm cả hoa văn trên cánh bướm và than chì. Bức xạ này được tạo ra khi các electron chuyển động làm xáo trộn các nguyên tử trong môi trường hoặc vật liệu. Khi các nguyên tử trở lại trạng thái không bị xáo trộn, chúng phát ra bức xạ, chẳng hạn như tia X. Mặc dù các electron được cho là mất năng lượng và chậm lại khi điều này xảy ra, lý thuyết cổ điển dự đoán rằng tác động của nó đối với bức xạ phát ra là không đáng kể. Tuy nhiên, Ginzburg cho rằng giả định này sẽ không chính xác khi xem xét thuyết điện động lực học lượng tử liên quan đến cách các hạt tích điện tương tác với trường điện từ, cũng như cách ánh sáng tương tác với vật chất. Theo lý thuyết, khi các electron giảm tốc chuyển động sau khi làm xáo trộn các nguyên tử gần đó, năng lượng và động lượng mà các electron này mất đi sẽ được chuyển sang bức xạ phát ra. Điều này xảy ra do ánh sáng tồn tại dưới dạng các hạt có năng lượng và động lượng, và chuyển động theo sóng dưới dạng bức xạ. Sự chuyển đổi làm cho năng lượng của bức xạ được giải phóng lệch khỏi các dự đoán cổ điển và cũng ảnh hưởng đến các electron đang làm chậm bằng cách khiến chúng lệch khỏi đường di chuyển của chúng. Hiện tượng này được gọi là “giật lượng tử”. Tuy nhiên, không ai có thể chứng minh điều đó bằng thực nghiệm cho đến tận bây giờ.
So sánh các lý thuyết cổ điển và lượng tử cho bức xạ Smith-Purcell. Theo lý thuyết cổ điển, phổ photon phát ra (a) và phổ mất năng lượng electron sau chọn lọc (EELS) (b) được đặt cách nhau ở các bội số nguyên của tần số cơ bản ω0, nghĩa là 0, 2ω0, 4ω0, 6ω0, v.v. Hình ảnh đề cập đến việc ghi lại các tín hiệu tổn thất năng lượng điện tử chỉ khi một photon (có năng lượng bất kỳ) được thu bởi một đầu dò photon tương ứng được đặt ở một góc quan sát cố định. Trong lý thuyết lượng tử, cả phổ photon phát ra (c) và phổ tổn thất năng lượng electron sau chọn lọc (d) không còn cách đều nhau nữa do hiện tượng giật lượng tử. Các đỉnh mất năng lượng của electron bị vướng vào các đỉnh năng lượng photon phát ra tương ứng. Do đó, độ giật lượng tử không chỉ ảnh hưởng đến electron đi ra mà còn tác động đồng thời lên electron và photon đi ra. Việc đo độ giật lượng tử thông qua năng lượng photon đi ra bao hàm việc đo thông qua phổ tổn thất năng lượng electron được chọn, vì có thể được chấp nhận thông qua định luật bảo toàn động lượng mà một photon phát ra ở tần số ω có thể tương ứng với sự mất năng lượng điện tử là ℏω. (Nguồn: Nature Photonics (2023)).
Nhóm các nhà khoa học Singapore, dẫn đầu là Nanyang Wong Liang Jie từ Trường Kỹ thuật Điện và Điện tử của NTU, đã chứng minh hiện tượng này thông qua các thí nghiệm riêng biệt bắn phá các electron từ kính hiển vi điện tử quét lên hai vật liệu rất mỏng, mỏng hơn sợi tóc khoảng 1.000 lần. Hai vật liệu là boron nitride ở dạng lục giác thường được sử dụng làm chất bôi trơn trong sơn và than chì được sử dụng để chế tạo các đầu cực của pin có thể sạc và trong ruột bút chì. Sử dụng máy dò quang phổ kế tia X phân tán năng lượng, các nhà nghiên cứu đã đo các tia X phát ra từ việc bắn phá này và phát hiện ra rằng chúng có năng lượng khác với năng lượng mà lý thuyết cổ điển dự đoán nhưng thay vào đó có thể được giải thích bằng “độ giật lượng tử”. Trong một loạt thí nghiệm, các tia X có năng lượng 1.300 electron vôn (eV) đã được đo, như dự đoán của thuyết giật lượng tử. Lý thuyết cổ điển cho rằng sẽ phát hiện tia X có năng lượng 1.340 eV. Sự khác biệt 40 eV cho thấy tia X bị mất năng lượng. Các nhà nghiên cứu cho biết hiệu ứng giật lượng tử có thể lớn hơn nhiều trong một số điều kiện nhất định, chẳng hạn như khi vật liệu bị các electron bắn phá bị nghiêng hoặc nếu hướng quan sát được của tia X bị thay đổi. Tính toán của họ đề xuất rằng nếu quan sát thấy một tia X phát ra có năng lượng dự đoán khoảng 300 eV theo một số hướng cụ thể, thì năng lượng đo được có thể giảm xuống gần như bằng không do giật lượng tử.
Một mẫu trong kính hiển vi điện tử quét được sử dụng trong các thí nghiệm về độ giật lượng tử của Đại học Công nghệ Nanyang, Singapore. (Nguồn: NTU Singapore)
Chuyển đổi mô hình
Các nhà khoa học đã cố gắng tiến hành các thí nghiệm trong nhiều năm để chứng minh độ giật lượng tử nhưng gặp phải nhiều trở ngại. Một lý do là, theo lý thuyết, để tạo ra hiệu ứng ở mức có thể đo lường được, các vật liệu mà các electron va vào cần phải có bề mặt giống như rãnh nhỏ được lặp lại với khoảng thời gian rất nhỏ. Điều đó có nghĩa là khoảng cách giữa các mẫu cần nhỏ hơn 1 nanomet (nm), nhỏ hơn hàng trăm nghìn lần so với đường kính của một sợi tóc. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng tạo ra những mô hình nhỏ này bằng các phương pháp chế tạo nano, chẳng hạn như các phương pháp sử dụng chùm tia laze. Các phương pháp này cho đến nay đã có thể tạo ra các mẫu với khoảng cách khoảng 10 nm. Các nhà khoa học Singapore đã thực hiện đổi mô hình giúp họ vượt qua những hạn chế về công nghệ chế tạo hiện tại – họ sử dụng các vật liệu hiện vốn có các rãnh nhỏ tự nhiên. Điều này dẫn họ đến thử nghiệm với boron nitride và than chì vì các nhà nghiên cứu biết rằng hai vật liệu này được tạo thành từ các nguyên tử sắp xếp rất đều đặn. Đặc biệt, chúng bao gồm nhiều lớp siêu mỏng, mỗi lớp chỉ dày một nguyên tử tạo thành các mẫu giống như rãnh xuất hiện tự nhiên lặp lại ở các khoảng cách nhỏ hơn 1 nm, lượng cần thiết để chứng minh độ giật lượng tử có thể đo lường được.
Ý nghĩa thực tiễn
Những phát hiện về độ giật lượng tử có thể được sử dụng để cải thiện các ứng dụng hình ảnh sử dụng tia X. Các nhà khoa học của NTU đã đăng ký bằng sáng chế dựa trên kết quả độ giật và nghiên cứu trước đó về việc tạo ra tia X bằng cách sử dụng các hợp chất vô cơ có kích thước bằng kích thước của chip máy tính tiếp xúc với các electron chuyển động. Bằng sáng chế chỉ ra một cách tiếp cận để chế tạo các máy có kích thước nhỏ hơn mặt bàn, có thể rẻ hơn và được điều chỉnh để tạo ra các năng lượng tia X cụ thể một cách chính xác, trái ngược với các cơ sở máy X-quang hiện tại có kích thước từ một ngôi nhà rộng khoảng 15.000m2 đến một sân bóng rộng hơn 130.000 m2. Các máy X-quang có thể điều hướng sẽ giúp hình ảnh y sinh tăng lên đáng kể.
Thông thường trong các cơ sở chăm sóc sức khỏe, tia X được tạo ra trên một dải năng lượng rộng cho các ứng dụng hình ảnh tổng quát. Nhưng với một máy X-quang điều hướng, có thể tạo ra một dải năng lượng tia X hẹp. Khả năng điều chỉnh nguồn tia X theo dải năng lượng hẹp cụ thể này mở ra một lĩnh vực ứng dụng hình ảnh y sinh mới. Tiến sĩ Edward Morton, Giám đốc Công nghệ của CTmetrix, cho biết: “Bằng cách sử dụng các tia X khác nhau được điều chỉnh theo các năng lượng cụ thể để thăm dò thành phần nguyên tử của vật liệu, chúng tôi có thể hiểu rõ hơn về cấu trúc của các tế bào trong các mẫu mô”. Nếu tia X được tạo ra và sử dụng không có năng lượng chính xác vì độ giật lượng tử không được xem xét, các mô đang được phân tích có thể được xác định không chính xác. CTmetrix đã đăng ký sử dụng bằng sáng chế của NTU để phát triển các máy X-quang có thể điều hướng chính xác và nhỏ gọn hơn để chụp ảnh y sinh các mẫu mô người. Công ty đang đặt mục tiêu có một nguyên mẫu sẵn sàng vào cuối năm 2023.
Nghiên cứu trong tương lai mà các nhà khoa học của NTU đang lên kế hoạch bao gồm nghiên cứu tác động của độ giật lượng tử trong các loại tương tác khác giữa ánh sáng và vật chất, cũng như sử dụng độ giật để thiết kế các nguồn phát tia X có thể điều chỉnh hiệu quả hơn và nhỏ gọn hơn. Các nhà nghiên cứu cũng có kế hoạch nghiên cứu sâu hơn các tình huống trong đó độ giật lượng tử có thể lớn đến mức các tia X được dự đoán theo cách cổ điển được phát ra thay vì dưới dạng ánh sáng khả kiến hoặc thậm chí là vi sóng.
Từ khóa: Độ giật lượng tử; tia X; chụp ảnh bức xạ; NDT;
– CMD&DND –
