Tương lai của khoa học hậu laser (3)

Chia sẻ: Quynh Nguyen | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

67
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Hơn 10 năm qua, người ta đã có thể tiến hành những thí nghiệm trong lĩnh vực vật lí y sinh mà trước đây chỉ là những giấc mơ hão huyền.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tương lai của khoa học hậu laser (3)

Tương lai của khoa học hậu laser (3) Vật lí y sinh Steven Block Steven Block là một nhà sinh lí học tại trường đại học Stanford, California, Hoa Kì. Thiên văn học 
Vật lí nguyên tử  Hơn 10 năm qua, người ta đã có thể tiến hành những thí nghiệm trong lĩnh vực vật lí y sinh mà trước đây chỉ là những giấc mơ hão huyền. Thí dụ, tôi làm việc trong một lĩnh vực gọi là sinh lí học đơn phân tử. Trong lĩnh vực này, thách thức là nghiên cứu các phân tử của sự sống – các protein, acid nucleic, carbohydrate và những hóa chất khác cấu tạo nên cơ thể chúng ta – theo kiểu đúng nghĩa là từng phân tử một. Công việc này chẳng dễ gì thực hiện, vì tất cả các phân tử sinh học đều quá nhỏ để nhìn thấy, nói thí dụ, qua một kính hiển vi thông thường. Tuy nhiên, chúng tôi đang nhận thấy rằng người ta có thể thao tác và đo lường chúng, và các kĩ thuật sử dụng trong nghiên cứu như vậy thường đòi hỏi các laser. Một kĩ thuật mà phòng thí nghiệm của tôi đã giúp đi tiên phong gọi là “nhíp quang học”. Ý tưởng cơ sở của nhíp quang là bạn có thể sử dụng áp suất bức xạ do một chùm laser hồng ngoại cung cấp để bắt giữ và thao tác với các chất liệu nhỏ bé – bao gồm từng cá thể protein và acid nucleic – làm cho chúng hiện diện dưới kính hiển vi. Để làm như vậy, chúng tôi móc các hạt vi mô nhỏ xíu với các phân tử như ADN. Sau đó, chúng tôi có thể sử dụng nhíp quang và bẫy quang để “đè giữ” lên những hạt này và tác dụng những lực rất nhỏ, có thể điều khiển lên các phân tử ADN. Các laser mà chúng tôi sử dụng trong công việc này có một số tính chất hết sức tuyệt vời – chúng không giống như laser trong đèn trỏ laser hay máy hát CD của bạn. Chúng tôi cần có thể giữ một chùm laser ổn định trong không gian trong vòng đường kính của một nguyên tử hydrogen, hay khoảng 1 Å, mỗi lần trong vài giây. Đây là vì các cặp base trong phân tử ADN chỉ cách nhau khoảng 3.5 Å, và một trong những thứ chúng tôi thích nghiên cứu là enzyme ARN-polymerase, cái “đọc” ra mã gen, di chuyển như thế nào khi nó trèo lên thang ADN, mỗi lần từng cặp base một. Thật thú vị là chúng tôi có thể quan sát điều này xảy ra, và nó phụ thuộc hoàn toàn vào việc có thể chiếu ánh sáng laser lên trên enzyme, làm tán xạ ánh sáng đó và đo các dịch chuyển chính xác đến một angstrom. Chúng tôi đã và đang
liên tục tìm kiếm các laser với công suất cao hơn hoạt động trong mốt đơn và có các tính chất ổn định hơn. Một số thế hệ mới của các diode laser hiện đã đạt tới mức chúng có thể dùng cho những thí nghiệm này, nhưng phần lớn chúng vẫn nằm ngoài phòng thí nghiệm, tính cho đến nay. Sẽ rất hấp dẫn một khi chúng được sử dụng. Tương lai của khoa học hậu laser (2) Vật lí nguyên tử
William D Phillips William D Philips là một nhà vật lí tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ quốc gia Hoa Kì (NIST) ở Gaithersburg, Maryland, Mĩ. Ông đạt giải thưởng Nobel vật lí năm 1997 cùng với Claude Cohen-Tannoudji và Steven Chu cho kĩ thuật làm lạnh và bẫy nguyên tử bằng ánh sáng laser. Xem thêm: Thiên văn học  Vào đầu những năm 1970, tôi là một nghiên cứu sinh trẻ trong nhóm nghiên cứu của Dan Kleppner tại Viện Công nghệ Massachusetts, thực hiện một luận án liên quan đến việc tiến hành các phép đo chính xác với một maser hydrogen từ trường cao (maser là tiền thân dạng vi sóng của laser, cái ban đầu được gọi là “maser quang học”). Kleppner và Norman Ramsey đã phát minh ra một phiên bản trường thấp của maser hydrogen trước đó hơn một thập kỉ, và phiên bản trường cao đang tạo ra những phép đo chính xác không có tiền lệ của các mômen từ trong nguyên tử - một loại đỉnh cao thuộc loại này của ngành vật lí nguyên tử. Nhưng rồi xuất hiện một phát triển mới sẽ làm thay đổi xu hướng nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của Dan, trong sự nghiệp của tôi và trong tổng thể ngành vật lí nguyên tử: laser thương mại, sóng liên tục, màu tùy chỉnh đầu tiên.
Môi trường phát laser trong những dụng cụ này là một chất nhuộm hữu cơ phát ra trên một ngưỡng rộng bước sóng hơn, thí dụ, một laser helium-neon, trong đó môi trường khuếch đại là một chất khí nguy ên tử. Sự xuất hiện của những dụng cụ này có nghĩa là ngay cả những người không phải chuyên gia trong lĩnh vực thiết kế và chế tạo laser cũng có thể, bằng cách điều khiển một laser đến một chuyển tiếp cộng hưởng nguyên tử, khảo sát một lĩnh vực mới của việc thao tác trên nguyên tử nơi ánh sáng kết hợp là công cụ chủ chốt. Hăm hở trước những món đồ chơi mới này, tôi nhờ Dan đề xuất một thí nghiệm nữa cho luận án sử dụng laser. Ông đồng ý, và đề nghị tôi nghiên cứu các va chạm của các nguyên tử sodium [natri] bị kích thích quang học. Tôi bắt đầu chế tạo thiết bị. Các sinh viên và nghiên cứu sinh hậu tiến sĩ khác trong nhóm đồng thời bắt đầu những thí nghiệm mới. Mỗi số mới ra của các tạp chí nghiên cứu mang đến số bài báo liên quan đến laser ngày một nhiều, và mỗi hội nghị lại chứng kiến những bản báo cáo về những thí nghiệm laser mới. Sự nhộn nhịp lúc đó có thể sờ mò được. Những ý tưởng mới và những thí nghiệm mới xuất hiện ở mọi nơi. Năm 1978, tôi được truyền cảm ứng bởi chứng minh của Dave Wineland về việc dùng laser làm lạnh các ion tại Cục Tiêu chuẩn quốc gia (nay là NIST) ở Boulder, Colorado, và bởi một ý tưởng đến từ Art Ashkin tại Phòng thí nghiệm Bell trước việc làm chậm và bẫy một chùm nguyên tử sodium. Năm sau đó, khi tôi chuyển đến các phòng thí nghiệm của Cục ở Gaithersburg, Maryland, tôi mang theo thiết bị làm luận án của mình và bắt đầu nghiên cứu về sự làm lạnh và bẫy sodium bằng laser. Đối với tôi, sự nhộn nhịp mà tôi cảm nhận trong những năm 1970 ở phòng thí nghiệm của Dan chưa bao giờ vơi đi. Những loại laser mới với bước sóng khác nhau, độ dài xung ngày càng ngắn đi, công suất ngày một cao hơn, bề rộng phổ ngày một hẹp hơn và tính ổn định ngày một tốt hơn làm cho những loại thí nghiệm mới đã có thể thực hiện được. Sự làm lạnh bằng laser của nhiều loại nguyên tử và ion, cộng với những chiếc đồng hồ nguyên tử, phân tử lạnh khổng lồ gõ nhịp ở tần số quang học, và các trạng thái phi cổ điển của ánh sáng chỉ là một số lộ trình trong
đó các laser đã dẫn hướng cho ngành vật lí nguyên tử, phân tử và quang học (AMO). Ngoài ra, các laser còn cho phép các nhà vật lí AMO hiện thực hóa ngưng tụ Bose-Einstein, để tạo ra những mạng quang và để nghiên cứu các chất khí Fermi cực lạnh. Mỗi một nghiên cứu trong số này đã khắc sâu thêm các quan hệ giữa AMO và ngành vật lí vật chất ngưng tụ. Có thể các laser và các nguyên tử lạnh sẽ giúp làm sáng tỏ một số vấn đề nổi cộm trong ngành vật chất ngưng tụ, thí dụ như nguồn gốc của sự siêu dẫn nhiệt độ cao, và bản chất của các trạng thái Hall lượng tử phân số vốn hữu ích cho lĩnh vực điện toán lượng tử. Kể từ khi lần đầu tiên chúng có mặt trên thị trường, các laser đã củng cố và tăng cường thêm sinh khí cho ngành vật lí nguyên tử, và sự phiêu lưu khám phá không có dấu hiệu ngừng lại.