Khúc xạ ánh sáng xảy ra khi sóng ánh sáng tương tác với nguyên tử vật chất, khiến chúng lệch pha. Điều thú vị là “ánh sáng tia X” cũng bị khúc xạ, nhưng việc đo lường lại cực kỳ khó khăn.

Mới đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Göttingen và Hamburg cùng đối tác đã chế tạo thiết bị giao thoa tia X nhỏ nhất thế giới. Thiết bị này cho phép đo chính xác hiện tượng khúc xạ tia X ở quy mô nanomet và từ đó suy ra cách chúng tương tác với hạt nhân nguyên tử. Công trình được công bố trên tạp chí Nature Photonics.

Thiết bị mới dựa trên thí nghiệm khe đôi nổi tiếng mà Richard Feynman từng gọi là “trái tim của cơ học lượng tử”. Hai khe chỉ cách nhau 50 nanomet – nhỏ hơn khoảng một nghìn lần so với độ dày sợi tóc người. Thí nghiệm được tiến hành tại Cơ sở Bức xạ Synchrotron châu Âu (ESRF) ở Grenoble, Pháp.

Các nhà khoa học đặt nguyên tử đồng vị sắt 57Fe vào một khe. “Điều hấp dẫn là chúng tôi thực hiện thí nghiệm chủ yếu với từng photon tia X đơn lẻ,” tiến sĩ Leon M. Lohse cho biết. Mỗi photon đi qua cả hai khe cùng lúc, trong đó một khe photon tương tác với hạt nhân sắt. Kết quả tạo ra các hoa văn đặc trưng phía sau khe, tiết lộ mức độ khúc xạ. Từ đó, nhóm nghiên cứu rút ra kết luận về cách photon tia X tương tác với nguyên tử sắt.

Việc chế tạo giao thoa kế cho tia X là thách thức lớn vì sóng tia X cực ngắn – ngắn hơn khoảng một nghìn lần so với ánh sáng nhìn thấy và thậm chí còn ngắn hơn khoảng cách giữa các nguyên tử. Dù vậy, khúc xạ tia X lại có giá trị ứng dụng cao: từ chụp ảnh sinh học 3D không gây hại mẫu, đến việc cung cấp thông tin chi tiết về cấu trúc nguyên tử.

Giáo sư Tim Salditt (Đại học Göttingen) nhấn mạnh: “Thí nghiệm của chúng tôi mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới. Nó cho thấy khúc xạ ánh sáng mang lại thông tin vượt xa việc đo suy giảm cường độ ánh sáng – đặc biệt liên quan đến cộng hưởng nguyên tử.” Nhóm nghiên cứu kỳ vọng trong tương lai có thể đo chỉ số khúc xạ của nhiều nguyên tố với tia X một cách hệ thống và chính xác, thậm chí phát triển “mạch quang tích hợp” cho tia X.