Language
Country/Area
No result found
Bí ẩn của vật lý lượng tử: Làm thế nào sự kích thích hai photon cho phép chúng ta khám phá phần bên trong của các phân tử?
Trong lĩnh vực vật lý lượng tử, sự hấp thụ hai photon (TPA) là một hiện tượng hấp dẫn cho phép các nhà khoa học quan sát và nghiên cứu cấu trúc bên trong cũng như hành vi của các phân tử theo một cách hoàn toàn mới. Nói một cách đơn giản, sự hấp thụ hai photon là quá trình khi hai photon (có cùng tần số hoặc khác tần số) được hấp thụ đồng thời để kích thích một nguyên tử hoặc phân tử, từ đó nâng trạng thái năng lượng của nó lên trạng thái kích thích điện tử cao hơn. Quá trình này cho phép chúng ta khám phá các đặc tính của phân tử theo cách không phá hủy mà không gây hại cho chúng.
Điều tuyệt vời về sự hấp thụ hai photon là xác suất của nó tỷ lệ thuận với bình phương cường độ ánh sáng, do đó cần phải sử dụng tia laser cường độ cao khi nghiên cứu hiện tượng này.
Sự hấp thụ hai photon lần đầu tiên được dự đoán bởi Maria Goeppert-Meier vào năm 1931 và được xác minh bằng thực nghiệm 30 năm sau đó với sự ra đời của công nghệ laser. Các nhà khoa học lần đầu tiên quan sát thấy sự phát huỳnh quang kích thích bằng hai photon trong một tinh thể pha tạp bạch kim châu Âu, sau đó là trong chất bán dẫn hơi natri và cadmium sulfide. Những phát hiện sơ bộ này đã đặt nền móng cho sự phát triển của công nghệ hai photon và dẫn đến nhiều ứng dụng, bao gồm hình ảnh y sinh và khoa học vật liệu.
Nguyên tắc cơ bản của sự hấp thụ hai photon
Trong quá trình hấp thụ hai photon, phân tử ánh sáng truyền năng lượng qua một mức năng lượng ảo, nghĩa là nó không cần dựa vào trạng thái điện tử trung gian để hấp thụ photon. Trong quá trình này, năng lượng của các photon cần tổng hợp đủ để đẩy phân tử từ trạng thái cơ bản sang trạng thái kích thích, và quá trình này được coi là phi tuyến vì nó đòi hỏi hai photon phải đến cùng một vị trí phân tử trong cùng một thời điểm đối với mỗi sự hấp thụ để tương tác.
Thông qua quá trình hấp thụ hai photon, chúng ta có thể khám phá cấu trúc của các phân tử và thậm chí chụp ảnh chúng dưới kính hiển vi, có tiềm năng lớn trong nghiên cứu sinh học và hóa học.
Ứng dụng trong thí nghiệm
Công nghệ kích thích hai photon được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực hình ảnh sinh học và khoa học vật liệu và được biết đến với khả năng quan sát hành vi của tế bào và phân tử với độ phân giải cao. Đồng thời, do khả năng phá hủy mẫu thấp nên các nhà khoa học có thể tiến hành các thí nghiệm động thông qua quan sát lâu dài. Các thiết lập thử nghiệm phổ biến nhất cho kỹ thuật này sử dụng laser xung, chẳng hạn như bộ dao động tham số quang học cho diode laser hoặc bơm Nd: YAG tăng gấp đôi tần số.
Quy tắc lựa chọn và kỹ thuật đo lường
Các quy tắc lựa chọn cho sự hấp thụ hai photon hoàn toàn khác với các quy tắc của sự hấp thụ một photon và các phương pháp đo của nó rất đa dạng, bao gồm huỳnh quang kích thích hai photon, tự hội tụ, quét z và các công nghệ khác. Trọng tâm của các phương pháp này là xác định có bao nhiêu photon được hấp thụ bởi một mẫu và cấu trúc của phân tử ảnh hưởng như thế nào đến đặc tính hấp thụ của nó.
Những thí nghiệm này không chỉ thúc đẩy nghiên cứu khoa học cơ bản mà còn mang lại những đổi mới về kỹ thuật và công nghệ, trở thành công cụ quan trọng để phát hiện tính chất của vật liệu.
Những thách thức và triển vọng trong tương lai
Mặc dù nghiên cứu về công nghệ hấp thụ hai photon đã có những tiến bộ đáng kể nhưng vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức. Một mặt, làm thế nào để kiểm soát chính xác năng lượng và cường độ photon trong các môi trường khác nhau để đạt được hiệu ứng kích thích cần thiết vẫn là một công nghệ cần được đào sâu hơn, mặt khác, độ nhạy với rò rỉ và nhiễu cũng cần được cải thiện hơn nữa; Giảm nhiễu trong các ứng dụng thực tế hơn.
Tóm lại, công nghệ kích thích hai photon không chỉ là một bước đột phá về mặt khoa học mà nó còn nhắc nhở chúng ta phải suy nghĩ lại về bản chất của các phân tử và sự hiểu biết của chúng ta về thế giới vi mô. Khi lĩnh vực này tiếp tục phát triển, những khám phá và khả năng mới nào sẽ chờ đợi chúng ta khám phá trong tương lai?
