Lần đầu tiên các nhà khoa học đo được đơn vị thời gian ngắn nhất

Đơn vị đo thời gian ngắn nhất mà các nhà khoa học có thể đo được cho đến nay là zepto giây, đơn vị để đo thời gian một hạt ánh sáng đi qua một phân tử hydro.

Một zepto giây là một phần nghìn tỷ của một phần tỷ của một giây, hay là phần thập phân gồm 20 số 0 rồi đến số 1. Trước đây, các nhà nghiên cứu đã đi sâu tìm hiểu lĩnh vực zepto giây.

Một hạt ánh sáng, được gọi là một photon (mũi tên màu vàng), sinh ra các sóng electron từ một đám mây electron (xám) của một phân tử hydrogen (đỏ: nguyên tử). Kết quả của phản ứng này là cái gọi là vân giao thoa (tím-trắng). Vân giao thoa hơi lệch về bên phải, nhờ đó các nhà nghiên cứu tính toán được thời gian để photon đó đi từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.

Năm 2016, một báo cáo đăng trên tạp chí Vật lý Tự nhiên đã sử dụng tia laser để đo được thời gian thành những phần nhỏ đến 850 zepto giây. Độ chính xác này là một bước nhảy vọt kể từ công trình giành giải Nobel năm 1999, là công trình đầu tiên đo được thời gian đến đơn vị femto giây. Một femto giây bằng một phần triệu của một phần tỷ của một giây.

Mỗi liên kết hóa học mất hàng femto giây để hình thành hoặc phá vỡ, nhưng ánh sáng chỉ mất hàng zepto giây để đi qua một phân tử hydro (H2). Để đo được hành trình vô cùng ngắn ngủi này, nhà vật lý học Reinhard Drner của Trường đại học Goethe, Đức, và các đồng nghiệp đã bắn tia X từ máy gia tốc hạt PETRA III của Trung tâm nghiên cứu Elektronen-Synchrotron ở Hamburg, Đức.

Nhóm nghiên cứu đã xác định được mức năng lượng phù hợp của tia X để một photon đơn lẻ, hay một hạt ánh sáng, đánh bật hai electron ra khỏi một phân tử hydrogen. (Một phân tử hydrogen gồm 2 proton và 2 electron). Photon này đánh bật một electron ra khỏi phân tử, sau đó electron còn lại hơi giống như một hòn sỏi nhảy trên mặt hồ.

Những tương tác này tạo ra một đồ thị sóng gọi là vân giao thoa, mà nhà vật lý học Drner và các đồng nghiệp có thể đo được bằng một dụng cụ gọi là kính hiển vi phản ứng COLTRIMS. Dụng cụ này là một máy đo hạt cực kỳ nhạy và chính xác có thể ghi lại các phản ứng phân tử và nguyên tử siêu nhanh. Kính hiển vi COLTRIMS đã ghi lại cả vân giao thoa và vị trí của phân tử hydrogen trong suốt phản ứng tương tác đó.

“Vì chúng ta đã biết định hướng không gian của phân tử hydrogen nên chúng tôi sử dụng cách tương tác của các sóng electron để tính toán chính xác khi nào thì photon đó chạm được đến nguyên tử hydrogen thứ nhất và khi nào thì đến nguyên tử thứ hai” – Đồng tác giả nghiên cứu, Tiến sĩ Sven Grundmann của Trường đại học Rostock, Đức, cho biết.

247 zepto giây, với một số khoảng trống tùy vào khoảng cách giữa các nguyên tử hydrogen trong phân tử tại thời điểm chính xác mà photon đó bay qua. Đây cũng chính là khoảng thời gian ánh sáng đi qua một phân tử hydrogen.

Nhà vật lý học Drner cho biết lần đầu tiên nhóm nghiên cứu quan sát thấy lớp vỏ electron trong một phân tử không phản ứng với ánh sáng ở tất cả mọi nơi đồng thời cùng một lúc. Có những khoảng trống thời gian vì thông tin bên trong phân tử chỉ lan truyền với tốc độ ánh sáng.”

Các kết quả nghiên cứu này vừa được công bố trên tạp chí Khoa học, Mỹ, vào ngày 16/10/2020.