Vật lý trên bàn thí nghiệm: Kỷ lục 8 giờ tại Berkeley rút ngắn khoảng cách tới kỷ nguyên máy gia tốc phổ thông

Từ lâu, các máy gia tốc hạt vẫn luôn là đặc quyền của những phòng thí nghiệm quốc gia khổng lồ. Để gia tốc các electron đạt đến tốc độ cần thiết, các nhà vật lý cần những đường hầm dài hàng cây số cùng mức ngân sách tương đương với GDP của các quốc gia nhỏ. Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu một công cụ nghiên cứu vật chất mạnh mẽ như vậy có thể nằm gọn trong một phòng thí nghiệm đại học thông thường?

Các chuyên gia từ trung tâm BELLA thuộc Phòng thí nghiệm Berkeley đã tiến rất gần đến hiện thực này. Họ đã trình diễn hoạt động của một máy gia tốc laser-plasma (LPA) có khả năng duy trì sự ổn định trong suốt tám giờ đồng hồ. Đối với công nghệ này, kết quả đó là một bước tiến khổng lồ. Trước đây, các thiết bị tương tự giống như những chiếc xe đua F1 đỏng đảnh: chúng có thể đạt được những thông số kỷ lục nhưng lại thường xuyên hỏng hóc hoặc cần phải điều chỉnh thủ công sau mỗi 10 đến 15 phút.

Bí quyết cho khả năng vận hành bền bỉ này nằm ở đâu? Các nhà nghiên cứu đã triển khai một hệ thống phản hồi chủ động. Các thuật toán máy tính phân tích hàng chục thông số của chùm tia laser và plasma mỗi giây để đưa ra những điều chỉnh cực nhỏ. Điều này đã biến một thí nghiệm khoa học thuần túy thành một công cụ nghiên cứu đáng tin cậy.

Tại sao điều này lại quan trọng với chúng ta? Các máy gia tốc này là nền tảng vận hành cho các laser electron tự do (FEL). Chúng tạo ra các tia X với độ sáng cực cao, cho phép con người thực sự "quay phim" quá trình chuyển động của các phân tử trong phản ứng hóa học hoặc cách virus xâm nhập vào tế bào.

Ngày nay, để thực hiện những nghiên cứu như vậy, các nhà khoa học phải nộp đơn đăng ký trước cả năm trời và di chuyển nửa vòng Trái đất để đến với máy gia tốc hạt duy nhất trên lục địa. Trong tương lai gần – và điều này không còn là viễn tưởng – các phương pháp chẩn đoán tương tự có thể trở nên phổ biến tại các trung tâm y tế lớn hoặc trong dây chuyền sản xuất chip công nghệ cao.

Liệu chúng ta đã sẵn sàng cho một thế giới nơi vật lý cơ bản không còn là "thứ xa xỉ đắt đỏ" mà trở thành một công cụ ứng dụng của kỹ sư? Có khả năng sự chuyển đổi này sẽ thay đổi tốc độ phát triển các loại thuốc và vật liệu mới mạnh mẽ hơn những gì chúng ta có thể hình dung hiện nay. Đây chính là con đường dẫn đến sự bình dân hóa khoa học trình độ cao.

Vật lý năng lượng cao đã chính thức vượt ra khỏi giới hạn của những đường hầm khổng lồ. Nhóm nghiên cứu tại Trung tâm BELLA (Berkeley Lab Laser Accelerator) đã chứng minh rằng một máy gia tốc laser-plasma nhỏ gọn có thể hoạt động với độ tin cậy của một thiết bị công nghiệp. Trong quá trình thử nghiệm, hệ thống đã duy trì bức xạ ổn định suốt 8 giờ liên tục, điều mà trước đây được coi là bất khả thi về mặt vật lý đối với các hệ thống "để bàn" do độ nhạy cực cao của sóng plasma trước những biến động nhỏ nhất của môi trường.

Các máy gia tốc hạt truyền thống, như LHC hay LCLS-II, tiêu tốn hàng tỷ đô la và chiếm diện tích hàng cây số vuông. Công nghệ LPA-FEL sử dụng laser công suất lớn để tạo ra một "sóng đánh thức" trong plasma, nơi các electron "lướt" trên đó và đạt được năng lượng khổng lồ chỉ trong khoảng cách vài centimet. Tuy nhiên, cho đến nay, các hệ thống này vẫn giống như những mẫu thử nghiệm thiếu ổn định: chúng tạo ra các xung mạnh mẽ nhưng nhanh chóng bị hỏng do sự giãn nở nhiệt và sự xuống cấp của các linh kiện quang học.

Tại sao điều này lại quan trọng và nó rút ngắn khoảng cách tới các nguồn tia X "để bàn" như thế nào

Các máy **synchrotron** và **XFEL** (laser electron tự do tia X) truyền thống là những công trình khổng lồ dài hàng trăm mét hoặc hàng cây số (ví dụ, European XFEL dài 3,4 km). Chúng có chi phí lên tới hàng trăm triệu đô la và chỉ những trung tâm quốc gia lớn mới có thể tiếp cận.

Máy gia tốc laser-plasma rút ngắn giai đoạn gia tốc từ hàng cây số xuống còn **vài milimet đến centimet**. Nếu nâng mức năng lượng electron lên khoảng 500 MeV (mục tiêu tiếp theo của nhóm), bước sóng bức xạ sẽ giảm xuống còn **20–30 nm** (tia cực tím xa / tia X mềm). Và trong tương lai, nó có thể đạt tới mức tia X cứng.

Một thiết bị LPA-FEL nhỏ gọn có thể trở thành nguồn phát xung tia X cực ngắn, cường độ cao và nhất quán ngay trên bàn thí nghiệm hoặc trong phạm vi một căn phòng. Điều này sẽ mở ra khả năng tiếp cận cho:

• Các trường đại học và phòng thí nghiệm nhỏ (để thực hiện "phim phân tử", nghiên cứu động lực học của các phản ứng hóa học, sinh học và khoa học vật liệu).
• Ngành công nghiệp (kiểm soát chất lượng chất bán dẫn, công nghệ nano).
• Y tế và an ninh.

Tất nhiên, các máy laser công suất lớn vẫn còn rất đắt đỏ, nhưng toàn bộ hệ thống sẽ nhỏ gọn và rẻ hơn gấp nhiều lần so với những gã khổng lồ hiện nay. LPA cũng có thể đóng vai trò là bộ tiêm hạt chất lượng cao cho các hệ thống XFEL lớn hiện có, giúp nâng cao hiệu suất của chúng.

Đây là một bước tiến rất ý nghĩa, đưa công nghệ từ "mô hình thí nghiệm" trở thành một giải pháp thực tế. Nhóm nghiên cứu hiện đang thu thập dữ liệu để tiếp tục cải thiện độ ổn định và độ sáng. Nếu giai đoạn tiếp theo (500 MeV và tia X mềm) thành công rực rỡ, đây có thể trở thành một cuộc cách mạng thực sự trong việc phổ cập các nguồn sáng công suất lớn.