Một đội các nhà vật lí vừa chế tạo ra một nguồn tia X mạnh, nhỏ gọn – một nguyên mẫu thuộc loại máy mà họ hi vọng có thể thay thế cho những thiết bị lớn hơn nhiều.

Công nghệ trên có khả năng làm cách mạng hóa mọi thứ, từ vi sinh vật học cho đến khoa học vật liệu, bởi việc cho các nhà khoa học khả năng truy xuất dễ dàng hơn đến những hình ảnh chất lượng cao của thứ họ đang nghiên cứu.

Các nhà khoa học sử dụng tia X để khảo sát đủ thứ đối tượng – từ bụi sao chổi cho đến động vật hóa thạch mắc kẹt trong hổ phách. Nhưng việc tạo ra những bức ảnh chất lượng cao đòi hỏi các nguồn phát sáng hơn và được điều khiển tốt hơn nhiều so với những nguồn hiện có. Vì thế, hiện nay, đa số các nhà khoa học sử dụng các máy gia tốc hạt cỡ lớn gọi là synchrotron, hoạt động bằng cách làm gia tốc các electron vòng quanh một vành đai. Khi các electron uốn cong theo quỹ đạo tròn, chúng tự nhiên phát ra bức xạ tia X chất lượng cao.

Các synchrotron thường kềnh càng, đắt tiền, và thường xuyên phải phục vụ cho các nhà khoa học, cho nên Matthias Fuchs thuộc Viện Quang học Lượng tử Max Planck ở Garching, Đức, và các cộng sự của ông đã nghiên cứu tìm một phương thức khác làm phát ra electron.

Thay vì sử dụng các nam châm thông thường để dẫn hướng và gia tốc các electron, đội nghiên cứu sử dụng một chùm laser cường độ mạnh và một tế bào nhỏ chứa khí hydrogen. Họ chiếu một xung ngắn, 37-femto giây (10^-15 s) vào tế bào trên để thổi electron ra khỏi hạt nhân của nguyên tử hydrogen. Nhưng lực hút điện làm cho các electron bị kéo trở lại về phía các ion dương, cho nên trong một khoảng thời gian ngắn sau khi chiếu xung, các electron dao động tới lui vòng quanh lõi mang điện dương của nguyên tử, tạo ra một sóng. Khi chúng dao động như thế, một vài electron bị vuột ra và cưỡi lên đỉnh của sóng electron. “Giống hệt như sóng vỗ, các electron có thể lướt trên những con sóng này”, Fuchs nói.

Sau đó, các electron băng qua một loạt thấu kính từ, đưa chúng vào một dải nam châm thứ hai làm cho chúng lắc lư tới lui – đồng thời giải phóng tia X năng lượng thấp bước sóng 18 nanomet khi chúng dao động.

Vì điện trường giữa các ion hydrogen và electron của chúng khá lớn, nên electron tăng tốc nhanh hơn trong trường hợp máy gia tốc thông thường. Điều đó có nghĩa là một cỗ máy kích cỡ bằng một tòa nhà có thể thu nhỏ lại còn kích cỡ của một dụng cụ để bàn. Hầu như là thế. Fuchs nói, tính luôn cả máy laser, thì cỗ máy gia tốc trên chiếm cỡ hai cái bàn khá lớn. “Chúng tôi đã tiến tới cụm từ ‘để bàn’, ông nói. Nghiên cứu của đội công bố trên tờ Nature Physics.

Tuy nhiên, “nó thật hấp dẫn”, theo lời Tom Katsouleas, chủ nhiệm khoa kĩ thuật tại trường Đại học Duke ở Durham, Bắc Carolina. Những nhóm khác đã chứng minh được bức xạ công suất thấp phát ra từ những hệ tương tự, cho nên chẳng có gì ngạc nhiên cả, ông bổ sung. “Tôi không nghĩ có ai đó lại nghi ngờ điều này có thực hiện được hay không”. “Nhưng họ đã thật sự chứng minh được rằng chất lượng chùm tia có thể khá cao”, ông nói.

Vì có tương đối ít electron được gia tốc, các xung tuy sáng nhưng tồn tại không lâu, cho nên chiếc máy gia tốc ‘để bàn’ trên không có khả năng thay thế các synchrotron trong thời gian trước mắt. Tuy nhiên, Katsouleas nói, trên nguyên tắc, chẳng có lí do gì chúng lại không thể được chế tạo thành những nguồn tia X có thể hoạt động dùng trong các trường đại học.

Bản gốc công trình nghiên cứu đăng tại http://www.nature.com/uidfinder/10.1038/NPHYS1404

Theo Nature.com