Tương lai của khoa học hậu laser (3) pptx

Tương lai củakhoahọc 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 10năm qua,người tađã có thể tiến hành những thí nghiệmtrong lĩnh vực vật lí y sinhmà trước đây chỉ lànhững giấcmơ hão huyền. Thí dụ, tôi làm việc trong một lĩnhvực gọilà sinh lí học đơn phântử. Tronglĩnh vực này,thách thứclà nghiêncứu các phân tử của sự sống – các protein,acid nucleic,carbohydratevà những hóachấtkháccấu tạo nên cơ thể chúngta – theokiểuđúng nghĩalà từng phân tử một.Công việc này chẳng dễ gì thực hiện, vì tấtcả các phân tử sinhhọc đều quá nhỏ để nhìnthấy, nói thí dụ, quamột kính hiểnvi thông thường.Tuy nhiên,chúng tôi đang nhận thấy rằng ngườita có thể thao tác và đo lường chúng, và các kĩ thuật sử dụngtrongnghiên cứu như vậy thườngđòihỏi các laser. Một kĩ thuật mà phòngthí nghiệm củatôi đã giúp đi tiênphong gọilà “nhíp quanghọc”. Ý tưởngcơ sở của nhípquang làbạncó thể sử dụngáp suất bức xạ do một chùmlaser hồngngoại cung cấp để bắt giữ và thao tác với các chấtliệu nhỏ bé – bao gồmtừng cá thể proteinvà acidnucleic – làm cho chúnghiện diệndưới kính hiển vi. Để làm như vậy, chúngtôi móc các hạtvi mônhỏ xíu với các phân tử như ADN. Sau đó,chúng tôi cóthể sử dụngnhíp quangvà bẫy quangđể “đè giữ” lên những hạt nàyvà tác dụng những lực rất nhỏ,có thể điều khiển lên các phân tử ADN. Các lasermà chúng tôi sử dụngtrong công việc nàycó một số tính chất hết sức tuyệt vời – chúng không giống như laser trong đèn trỏ laser haymáy hát CD của bạn. Chúng tôi cầncó thể giữ một chùm laser ổn địnhtrongkhông gian trong vòng đường kínhcủa một nguyên tử hydrogen,hay khoảng 1 Å, mỗi lần trong vài giây.Đây là vìcác cặp basetrongphân tử ADN chỉ cách nhaukhoảng 3.5Å, vàmột trong những thứ chúngtôi thích nghiên cứu là enzyme ARN-polymerase,cái“đọc” ra mã gen,di chuyển như thế nào khinó trèo lênthang ADN,mỗi lần từng cặp base một. Thật thú vị là chúng tôi có thể quan sát điều nàyxảyra, và nó phụ thuộc hoàn toàn vào việc có thể chiếu ánh sáng laserlên 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 đơnvà có các tính chất ổnđịnh hơn. Một số thế hệ mới củacác diodelaser hiệnđã đạt tới mức chúng có thể dùng cho những thí nghiệm này, nhưngphần lớn chúngvẫn nằm ngoài phòngthí nghiệm, tínhcho đếnnay. Sẽ rất hấp dẫnmột khi chúngđược sử dụng. Tươnglai củakhoahọc hậu laser (2) Vật lí nguyên tử William DPhillips 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 nhữngnăm 1970, tôilà một nghiên cứu sinhtrẻ trong nhóm nghiên cứu của Dan Kleppnertại Viện Công nghệ Massachusetts, thựchiện mộtluận án liên quanđến việc tiếnhành các phép đochínhxác với một maserhydrogen từ trường cao (maserlà tiền thândạng vi sóngcủa laser,cái ban đầu đượcgọi là “maser quang học”). Kleppnervà NormanRamseyđã phát minhra một phiên bản trường thấp của maserhydrogen trước đó hơn một thậpkỉ, và phiên bản trường cao đangtạo ranhững phép đo chính xác không có tiền lệ của các mômentừ trong nguyêntử - một loại đỉnh caothuộc loại này của ngànhvật lí nguyêntử. Nhưng rồi xuấthiện một phát triển mới sẽ làm thay đổi xu hướngnghiên cứu trong phòng thí nghiệmcủa Dan, trong sự nghiệp của tôi vàtrongtổng thể ngành vật lí nguyêntử: laserthương mại, sóng liên tục, màutùy chỉnhđầu tiên. Môitrường phát laser trongnhững dụngcụ nàylà một chất nhuộm hữucơ phát ra trên mộtngưỡngrộng bước sóng hơn,thí dụ, mộtlaserhelium-neon, trong đó môi trường khuếch đại làmột chất khí nguyên tử. Sự xuất hiện của nhữngdụngcụ này có nghĩalà ngaycả những người không phải chuyên giatrong lĩnh vực thiết kế và chế tạo laser cũng cóthể, bằngcách điềukhiển một laser đến một chuyển tiếpcộng hưởngnguyên tử, khảo sát mộtlĩnh vực mới của việc thao táctrên nguyêntử nơi ánh sáng kếthợp là công cụ chủ chốt. Hăm hở trướcnhững mónđồ chơi mới này, tôi nhờ Dan đề xuấtmột thí nghiệmnữa cho luận án sử dụng laser. Ôngđồngý, và đề nghị tôi nghiêncứu các va chạm củacác nguyên tử sodium [natri]bị kích thíchquang học. Tôi bắt đầuchế tạo thiết bị. Các sinh viên và nghiêncứu sinhhậu tiến sĩ khác trong nhóm đồng thời bắt đầunhững thí nghiệmmới. Mỗi số mới ra của các tạp chí nghiên cứu mang đến số bài báoliên quanđến laserngày mộtnhiều, và mỗi hội nghị lại chứng kiến những bản báo cáo về những thí nghiệm lasermới. Sự nhộn nhịp lúcđó có thể sờ mò được. Những ý tưởngmới vànhữngthí nghiệmmới xuất hiệnở mọinơi. Năm 1978, tôi được truyền cảm ứng bởi chứng minh củaDave Wineland về việc dùng laserlàm lạnh các ion tại Cục Tiêu chuẩn quốcgia (naylà NIST) ở Boulder, Colorado, và bởi một ý tưởngđến từ Art Ashkin tại Phòngthí nghiệmBell trướcviệclàm chậm vàbẫy mộtchùmnguyêntử sodium. Năm sauđó, khi tôi chuyển đến các phòng thí nghiệmcủa Cục ở Gaithersburg, Maryland,tôi mangtheo thiết bị làmluậnán củamình vàbắt đầunghiên cứu về sự làm lạnh và bẫy sodiumbằnglaser. Đối với tôi, sự nhộn nhịpmà tôi cảm nhận trong nhữngnăm 1970ở phòng thí nghiệm củaDan chưa bao giờ vơi đi. Những loại laser mới với bướcsóng khác nhau, độ dài xungngày càngngắn đi, công suất ngàymột cao hơn, bề rộng phổ ngày một hẹp hơn và tính ổn định ngày mộttốt hơn làm chonhững loại thí nghiệm mớiđã cóthể thực hiện được. Sự làm lạnhbằng laser củanhiều loại nguyên tử và ion, cộngvới những chiếc đồng hồ nguyên tử,phân tử lạnh khổng lồ gõ nhịp ở tần số quang học, và các trạng thái phicổ điển củaánh sángchỉ là một số lộ trìnhtrong đó các laser đã dẫn hướng cho ngànhvật lí nguyên tử,phân tử và quanghọc (AMO). Ngoài ra, các lasercòn cho phép các nhà vật lí AMOhiện thực hóa ngưngtụ Bose-Einstein,để tạo ranhững mạng quangvà để nghiên cứu các chất khí Fermi cực lạnh. Mỗi một nghiên cứu trong số này đã khắc sâu thêm các quanhệ giữa AMO vàngành vật lí vật chấtngưng tụ. Có thể các laservà các nguyên tử lạnh sẽ giúplàm sáng tỏ một số vấn đề nổi cộm trong ngành vật chất ngưng tụ,thí dụ như nguồngốc củasự siêu dẫnnhiệt độ cao, vàbản chất của các trạng thái Halllượng tử phân số vốn hữu íchcho lĩnh vực điệntoán lượngtử. Kể từ khilần đầu tiên chúngcó mặt trên thị trường, các laserđã củng cố và tăng cườngthêm sinh khí chongành vật lí nguyêntử, và sự phiêu lưu khám phá khôngcó dấu hiệu ngừng lại. . Tương lai củakhoahọc 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. nằm ngoài phòngthí nghiệm, tínhcho đếnnay. Sẽ rất hấp dẫnmột khi chúngđược sử dụng. Tươnglai củakhoahọc hậu laser (2) Vật lí nguyên tử William DPhillips William D Philips là một nhà vật lí tại Viện. tử ADN. Các lasermà chúng tôi sử dụngtrong công việc nàycó một số tính chất hết sức tuyệt vời – chúng không giống như laser trong đèn trỏ laser haymáy hát CD của bạn. Chúng tôi cầncó thể giữ một chùm laser