theo dỏi quá trình động học phân tử của adenine bằng lade xung cực ngắn

Ứng dụng của HHG đã không dừng lại ở đó, trong các công trình [7], [8], các tác giả đã khẳng định theo dõi được quá trình đồng phân hóa HCN/HNC và quá trình đồng phân hóa acetylen/vinyli

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA VẬT LÝ

  

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THEO DỎI QUÁ TRÌNH ĐỘNG HỌC PHÂN

TỬ CỦA ADENINE BẰNG LADE XUNG

Lời cảm ơn

Để hồn thành được khĩa học và luận văn tốt nghiệp này, tơi đã nhận được sự động viên, giúp đỡ và hỗ trợ nhiệt tình từ gia đình, thầy cơ, nhà trường và bạn bè Thơng qua luận văn tốt nghiệp, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả mọi người

Đầu tiên tơi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến Thầy hướng dẫn PGS.TSKH Lê Văn Hồng đã tận tình hướng dẫn, định hướng và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tơi thực hiện và hồn thành luận văn

Tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Nguyễn Ngọc Ty đã nhiệt tình chỉ dẫn, giúp đỡ và động viên tơi trong thời gian thực hiện luận văn

Cùng với các bạn sinh viên cùng khĩa, tơi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến tồn thể thầy cơ thuộc khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm TP.HCM trong suốt khĩa học đã truyền đạt cho chúng tơi những tri thức và dạy cho chúng tơi những bài học làm thầy, làm người

Đặc biệt tơi xin gửi lời cảm ơn và chúc sức khỏe đến hội đồng chấm bảo vệ luận văn tốt nghiệp chuyên ngành Vật lí lí thuyết, khoa Vật lí trường Đại học Sư phạm TP.HCM

Tơi xin gửi lời cảm ơn đến cha mẹ, gia đình đã ủng hộ, động viên tinh thần cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi tối đa giúp tơi hồn thành tốt luận văn này

Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thành viên trong nhĩm nghiên cứu cũng như bạn

bè đã giúp đỡ, động viên tơi trong thời gian làm luận văn cũng như những năm tháng trên giảng đường đại học

Cuối cùng tơi xin gửi lời chúc sức khỏe và hạnh phúc đến gia đình, thầy cơ và bạn bè

Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 4 năm 2010

Lê Hải Mỹ Ngân

HHG: Sóng hài bậc cao (High-order Harmonic Generation)

HOMO: Orbital ngoài cùng của phân tử (Highest Occupied Molecular Orbital) IRC: (Intrinsic Reaction Coordinate)

LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

Opt: (Optimization)

PES: Mặt thế năng (Potential Energy Surface)

MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện nay, khoa học dường như đã trở thành một người bạn đồng hành quan trọng của con người Với tốc độ phát triển ở mức cấp số nhân, khoa học như một chuyến tàu tốc hành đưa con người đến với những miền đất tri thức mới lạ Hiện nay, chiếc tàu đầy “sức mạnh” đó đang tiến sâu vào giới vi mô cực kì bé nhỏ, trong đó, chiếc hộp bí ẩn về cấu tạo vật chất luôn là một vấn đề thôi thúc sự quan tâm và kích thích niềm đam mê khám phá của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới Mong muốn “nhìn thấu, nhìn rõ” hơn nữa về cấu trúc của các phân tử luôn là một vấn đề hấp dẫn trong cộng đồng khoa học Hiện nay, một số phương pháp thường được sử dụng trong lĩnh vực này, có thể kể đến như: phương pháp quang phổ gồm quang phổ hồng ngoại, quang phổ Raman…;phương pháp nhiễu xạ gồm nhiễu xạ electron, nhiễu xạ tia X… Tuy nhiên, với các phương pháp này thì thông tin cấu trúc thu được đều là những thông tin tĩnh, vì độ phân giải thời gian của các phương pháp này lớn hơn nhiều so với thời gian xảy ra các hiện tượng ở cấp độ phân tử, nguyên tử Cụ thể, các phân tử thực hiện chuyển động quay trong khoảng thời gian pico giây (1 ps = 10-12 s), sự dao động của các nguyên tử diễn ra trong thang thời gian femto giây (1 fs = 10-15 s) và điện tử chuyển động quanh hạt nhân ở mức atto giây (1 as = 10-18 s); ngoài ra, các phản ứng hóa học thì xảy ra ở thang thời gian femto giây Do đó, mong muốn thu nhận các thông tin cấu trúc động của nguyên tử, phân tử luôn thôi thúc các nhà nghiên cứu trên thế giới Việc thu nhận được các thông tin này sẽ giúp cho khoa học có “sức mạnh” để can thiệp vào các quá trình biến đổi của phân tử và các phản ứng hóa học Đây là một vấn đề có ý nghĩa thiết thực và quan trọng

Sự ra đời của các nguồn xung lade siêu ngắn đã mở ra một hướng giải quyết cho bài toán trên

Kể từ khi được ra đời vào năm 1960 cho đến nay, xung lade đã được phát triển và rút ngắn độ dài một cách nhanh chóng, và được biết đến như một cuộc chạy đua giữa các nhà khoa học để rút ngắn độ dài xung lade Đây là một “cuộc chạy đua tiếp sức” bởi chỉ sau hơn 20 năm kể từ khi xuất hiện, xung lade

đã được rút ngắn tới mức femto giây Đến năm 2006, nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Ý đã chế tạo thành công lade có độ dài xung 130 atto giây Gần đây nhất, vào tháng 8 năm 2008, xung lade 80 as đã được chế tạo trong phòng thí nghiệm Max-Planck (Đức) và Lawrence Berkeley (Mỹ) Từ đó, các xung lade siêu ngắn đã mở ra con đường đầy triển vọng cho các nhà nghiên cứu trong việc tìm hiểu về thế giới vi mô, trong đó có thể kể đến là việc chụp ảnh phân tử bằng lade siêu ngắn, quan sát các quá trình trong phân tử ở cấp thời gian femto giây hay theo dõi các quá trình đồng phân hóa và các phản ứng hóa học Cụ thể, trên tạp chí Nature ra ngày 16 tháng 12 năm 2004, nhóm nghiên cứu của nhà khoa học Corkum (Canada) công bố công trình [9] về chụp ảnh phân tử ni-tơ (N2) bằng phát xạ sóng hài bậc cao (HHG) và đã gây ra sự chú ý trong cộng đồng khoa học HHG là một hiệu ứng phi tuyến xảy ra khi lade có cường độ mạnh và xung cực ngắn tương tác với nguyên tử, phân tử

Do thông tin HHG thu nhận được trong khoảng thời gian femto giây, là cấp thời gian dao động của

phân tử và cũng là cấp thời gian của các phản ứng hóa học, nên các tác giả cho rằng đã thu được thông tin cấu trúc động của phân tử Công trình chụp ảnh N2 đã mở đường cho những công trình kế tiếp nghiên cứu chụp ảnh phân tử sử dụng nguồn sóng hài bậc cao [6] Ứng dụng của HHG đã không dừng lại ở đó, trong các công trình [7], [8], các tác giả đã khẳng định theo dõi được quá trình đồng phân hóa HCN/HNC và quá trình đồng phân hóa acetylen/vinyliden từ nguồn cơ sở dữ liệu HHG thu được do sự tương tác của lade có xung cực ngắn (10 femto giây) và cường độ cực mạnh (~1014W/cm2) với các phân tử

Với mong muốn được tiếp cận với một hướng phát triển mới đầy tiềm năng, tác giả đã quyết định sẽ tìm hiểu về cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao và sử dụng chính cơ chế này để tìm hiểu thông tin động và quá trình biến đổi của một phân tử có cấu trúc phức tạp hơn so với những nghiên cứu đã tiến hành, đó chính là các base của phân tử ADN Sở dĩ tác giả lựa chọn phân tử ADN để thực hiện nghiên cứu là bởi tính chất cần thiết và “hấp dẫn” của phân tử này

Axit Deoxyribonucleic (ADN) là phân tử mang thông tin di truyền mã hóa cho hoạt động sinh trưởng và phát triển của tất cả các dạng sinh vật sống bao gồm cả một số virus ADN là môt đại phân

tử được tạo thành bởi hai chuỗi xoắn kép liên kết với nhau bởi liên kết hydro, mỗi sợi đơn là một chuỗi polynucleotide gồm nhiều các nucleotide nối với nhau bằng liên kết photphat Mỗi nucleotide gồm ba thành phần: bazơ nitơ (base), đường pentose, nhóm phosphate Thông tin di truyền chứa trong ADN được giải mã dưới dạng trình tự sắp xếp của các base Base trong phân tử ADN là các dẫn xuất hoặc của pyrimidine gồm cytosine (C) và thymine (T), hoặc của purine gồm adenine (A) và guanine (G) Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đều chỉ ra rằng mỗi base thường tồn tại dưới hai dạng đồng phân hỗ biến (tautomer): base adenine và cytosine có hai tautomer là amino (bền) và imino (kém bền), base thymine và guanine có hai tautomer là keto (bền) và enol (kém bền) Thông thường, các base sẽ tồn tại trong phân tử ADN dưới dạng tautomer tự nhiên bền (keto và amino) Tuy nhiên trong quá trình phát triển của sinh vật, dưới một số điều kiện nào đó, đôi khi các base sẽ không tồn tại ở dạng tautomer phổ biến nữa mà chuyển sang dạng tautomer hiếm gặp hơn là enol và imino Các dạng hiếm gặp này dù có thời gian tồn tại rất ngắn nhưng nếu trong thời gian đó chúng được huy động vào quá trình tổng hợp ADN thì đột biến sẽ xảy ra Khi đó các cặp bazơ nitơ được hình thành là A và C (bằng hai liên kết hydro); G và T (bằng ba liên kết hydro) Sau hai lần sao chép thì cặp A và T thành cặp G và

C, cặp G và C thành cặp A và T, dẫn đến hậu quả là thông tin di truyền sẽ không được nguyên vẹn cho thế hệ sau Quá trình các base bị biến đổi từ dạng tautomer này sang dạng tautomer khác gọi là quá trình hỗ biến hóa học (tautomerism) [1] Như vậy quá trình tautomerism chính là một trong những cơ chế gây đột biến gen, do đó nó đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhóm khoa học trên thế giới kể cả lí thuyết và thực nghiệm [15] Các nhà nghiên cứu cũng nhận thấy rằng thời gian của quá trình tautomerism là vào cỡ femto giây Do đó, việc thu nhận được thông tin động ở cấp thời gian

femto giây và theo dõi được quá trình tautomerism của các base đã trở thành mục tiêu của các nhà nghiên cứu trên thế giới

Trên cơ sở hướng phát triển của ứng dụng HHG và nhu cầu của việc theo dõi quá trình tautomerism của các base của ADN, tác giả đã quyết định lựa chọn đề tài “Theo dõi quá trình động

Trong phạm vi một luận văn tốt nghiệp, tác giả đã quyết định lựa chọn phân tử adenine thuộc base purine, có cấu trúc hai mạch vòng làm đối tượng nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu quá trình tautomerism của adenine bằng tính toán phổ HHG phát xạ có ưu điểm là có thể xác định được những

sự thay đổi cấu trúc phân tử ở thang thời gian femto giây Từ đó cung cấp cho các nhà thực nghiệm một cơ sở lí thuyết để có thể chủ động can thiệp vào quá trình tautomer hóa của base này và từ đó điều khiển được cơ chế đột biến gen

Mục tiêu chính của luận văn là sử dụng dữ liệu (HHG) thu được khi cho lade siêu ngắn 5 fs, bước sóng 800 nm, cường độ mạnh 2.1014 W/cm2 tương tác với base adenine để theo dõi quá trình tautomerism của phân tử này

Để có thể đạt được kết quả như mong muốn, chúng tôi cần tiến hành từng bước cụ thể sau:

 Tìm hiểu lí thuyết về ADN, các base và quá trình tautomerism;

 Tìm hiểu cơ chế phát xạ HHG và mô hình ba bước Lewenstein;

 Tìm hiểu về phần mềm tính toán Gaussian, Gaussview và ngôn ngữ lập trình Fortran;

 Mô phỏng cấu trúc phân tử và orbital ngoài cùng HOMO của phân tử adenine So sánh với số liệu thực nghiệm;

 Mô phỏng quá trình tautomerism của adenine bằng cách tính toán mặt thế năng PES để tìm ra hai trạng thái bền của phân tử đồng thời mô phỏng đường IRC;

 Tính toán HHG thu được khi cho lade xung 5 fs, cường độ 2.1014 W/cm2, bước sóng 800 nm tương tác với phân tử;

 Phân tích dữ liệu HHG phụ thuộc góc định phương để phân biệt ba trạng thái của phân tử;

 Phân tích dữ liệu HHG phụ thuộc vào góc định phương và góc cấu trúc để theo dõi quá trình tautomerism của phân tử này

Trong thực tế khi cho lade có cường độ mạnh tương tác với phân tử thì có nhiều hiệu ứng phi tuyến xảy ra, tuy nhiên, trong đề tài này, chúng tôi chỉ chú ý đến hiệu ứng phát xạ HHG Kể từ khi ra đời cho đến nay, HHG là một trong những vấn đề gây chú ý đối với nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới Thực chất bài toán HHG ở đây chính là giải phương trình Schrodinger phụ thuộc vào thời gian khi electron chịu tác dụng của trường lade Trên thực tế, bài toán đã được giải chính xác cho vài phân

tử đơn giản như H2, hay ion của nó H2+ Tuy nhiên do tính chất phức tạp của các phân tử nên không phải lúc nào ta cũng có thể áp dụng phương pháp TDSE để giải quyết bài toán này Vì vậy yêu cầu đặt

ra là cần có những mô hình vật lí để thực hiện tính toán gần đúng nhưng vẫn giữ được bản chất vật lí của hiện tượng Có nhiều mô hình được nêu ra để giải quyết bài toán này và một trong những mô hình được cộng đồng khoa học hiện nay chấp nhận rộng rãi đó là mô hình ba bước bán cổ điển Lewenstein Trong luận văn này, chúng tôi thực hiện thu nhận dữ liệu HHG dựa vào mô hình ba bước này với công

cụ được sử dụng để tính toán là ngôn ngữ lập trình Fortran Chương trình tính toán phổ HHG trên ngôn ngữ này được xây dựng bởi GS Lin Chii-Dong (Đại Học Kansas, Mỹ) và sau đó được phát triển bởi nhóm các nhà khoa học tại Khoa Vật Lý-Trường ĐHSP.TPHCM Chương trình này đã được kiểm chứng qua các công trình đăng trên các tạp chí Vật lý quốc tế có uy tín Ở đây, chúng tôi không tiến hành viết lại chương trình tính toán này mà chỉ tiếp thu các kĩ thuật tính toán được sử dụng và xem như đây là một công cụ cho chúng tôi thực hiện luận văn này Như đã nêu trong phần nhiệm vụ, để có thể tính toán được HHG phát ra, chúng tôi cần phải mô phỏng được cấu trúc phân tử adenine Nhiệm vụ này được chúng tôi giải quyết bằng cách sử dụng phần mềm Gaussian 03W với mô hình tính toán dựa trên phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ DFT, có tính đến hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p) Bằng phương pháp này chúng tôi đã mô phỏng được ba trạng thái của phân tử adenine: amino, trạng thái chuyển tiếp và imino Khi có được các thông tin này, chúng tôi tiến hành tính toán và đã mô phỏng được HHG phát ra do sự tương tác này Khảo sát sự phụ thuộc vào góc định phương của phân tử, chúng tôi nhận thấy không thể phân biệt được các trạng thái nêu trên do hình dạng HOMO của các trạng thái trên là khá giống nhau Tuy nhiên điều chúng tôi quan tâm ở đây chính là quá trình tautomerism của adenine Vẫn sử dụng phương pháp nêu trên, chúng tôi đã mô phỏng được quá trình tautomerism của adenine bằng cách tính toán được mặt thế năng cũng như đường phản ứng hóa học của phân tử này Khi đã mô phỏng được đường phản ứng hóa học này chúng tôi đã tiến hành cho lade tương tác với phân tử thymine trong cả quá trình quá trình tautomerism này Tuy nhiên từ dữ liệu HHG thu được, chúng tôi nhận thấy chưa thể theo dõi được quá trình tautomerism của adenine bằng dữ liệu HHG thu được khi sử dụng lade 5 fs, 800 nm, 2.1014 W/cm2

Bố cục luận văn gồm bốn chương chính:

 Chương 1 Cơ sở lí thuyết về ADN

Trong chương này, tác giả sẽ trình bày một cách ngắn gọn về cấu trúc, đặc điểm, cơ chế đột biến trong phân tử ADN, trong đó sẽ giới thiệu với bạn đọc về quá trình hỗ biến hóa học (tautomerism) Đây là quá trình khi một tautomer của base này bị biến đổi thành dạng tautomer khác hiếm gặp hơn, từ đó dẫn đến kết quả bắt cặp sai, và hậu quả là gây đột biến gen Nắm được những thông tin khái quát về ADN, hay cụ thể đó là sự đột biến do quá trình hỗ biến hóa học của các base trong ADN sẽ giúp cho bạn đọc thấy được tầm quan trọng và cần thiết trong việc nắm bắt thông tin cấu trúc động của phân tử ở cấp thời gian femto giây, để từ đó có thể chủ động can thiệp vào quá trình gây nên đột biến gen trong cơ thể sinh vật

 Chương 2 Tổng quan lade và cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao

Trong chương 2, tác giả sẽ tập trung trình bày về công cụ chính được sử dụng để thu nhận thông tin của phân tử Đó chính là cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao – HHG [12]

Trong phần thứ nhất của chương này, tác giả sẽ dành vài trang để giới thiệu những nét cơ bản nhất về lade Hiện nay, có thể nói lade là một thuật ngữ rất quen thuộc đối với nhiều người, nó đã thâm nhập vào rất nhiều lĩnh vực trong cuộc sống, do đó tác giả sẽ không đề cập nhiều đến những ứng dụng của nó mà thay vào đó sẽ đề cập đến một hướng phát triển mới – lade xung siêu ngắn Quá trình rút ngắn chiều dài xung lade sẽ được tác giả đề cập theo tiến trình thời gian Kể từ khi được chế tạo lần đầu tiên, công nghệ lade ngày càng có những tiến triển mang tính chất đột phá Cường độ lade được tăng lên nhiều lần, song song đó độ dài xung lade được giảm đáng kể Trong năm 1990, Zewail et al [13] đã tạo ra xung lade vào cỡ femto giây, đánh dấu sự ra đời của một lĩnh vực mới gọi là Hóa học thang thời gian femto giây (Femtosecond chemistry) Những nổ lực rút ngắn độ dài của xung lade vẫn tiếp diễn Trong những năm gần đây, cuộc chạy đua xung lade siêu ngắn đã có những đích đến mới, đột phá và ấn tượng bằng công trình của các nhóm nghiên cứu trên thế giới khi tạo ra được xung lade ở cấp độ atto giây, mở ra một lĩnh vực mới Vật lí thang thời gian atto giây (Attosecond Physics) Ngành khoa học này đã mở ra những hướng đi mới đầy tiềm năng cho nhiều ngành khoa học khác nhau, không chỉ riêng vật lí học Đó chính là một tia sáng hứa hẹn những thay đổi sự hiểu biết của con người

về thế giới vật chất

Chính sự phát triển của các xung lade siêu ngắn đã thực sự tạo điều kiện cho các nhà nghiên cứu tìm hiểu sâu hơn về sự tương tác giữa nguyên tử, phân tử với các xung lade siêu ngắn có cường độ mạnh, trong đó có hiện tượng phát xạ HHG Do đó, nội dung thứ hai của chương này sẽ trình bày về sự tương tác giữa trường lade và nguyên tử, phân tử Đây là sự tương tác phi tuyến, nghĩa là nguyên tử sẽ phản ứng khác nhau đối với cường độ trường lade khác nhau, mở ra một ngành quang học mới gọi là quang học phi tuyến Khi trường lade yếu so với trường Coulomb trong nguyên tử thì lade chỉ khuấy nhiễu nhẹ trạng thái của nguyên tử và sự ion hóa chỉ có thể xảy ra theo cơ chế đa photon, nghĩa là nguyên tử hấp thụ liên tiếp nhiều photon để chuyển lên trạng thái kích thích Khi trường lade tương đối mạnh so với trường Coulomb thì sự ion hóa sẽ xảy ra theo cơ chế xuyên hầm, tức là electron có xác suất xuyên hầm qua rào thế tạo bởi trường Coulomb của nguyên tử và trường lade để đi ra vùng phổ liên tục Còn trong trường hợp trường lade rất mạnh so với trường Coulomb thì đỉnh của rào thế trở nên thấp hơn so với thế năng của electron, do đó electron có thể vượt rào thế đi vào vùng liên tục, đó chính là sự ion hóa vượt rào Để đặc trưng cho sự tương tác giữa lade với nguyên tử, tác giả sẽ trình bày về một hệ số quan trọng được phát triển bởi Viện sĩ Keldysh, vì vậy hệ số này được đặt theo tên ông, hệ số Keldysh

Như vậy khi trường lade tương đối mạnh đối với trường Coulomb của nguyên tử thì electron có thể thoát ra ngoài miền liên tục theo cơ chế xuyên hầm, và một trong những hiện tượng rất đặc biệt đã xảy ra đó là sự phát xạ HHG – công cụ chính để thực hiện nghiên cứu trong luận văn Phần cuối cùng của chương hai sẽ cung cấp cho người đọc những kiến thức cần thiết về cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao Được phát hiện lần đầu tiên bởi nhà nghiên cứu M.Ferray (Pháp) vào năm 1988, từ đó HHG đã trở thành một điểm sáng thu hút sự quan tâm để tìm kiếm một lí thuyết phù hợp cho việc giải thích các đặc tính của nó Ban đầu, HHG được nghiên cứu là một trong những cơ chế để tạo ra xung ánh sáng siêu ngắn cấp độ atto giây Sau đó, trong quá trình nghiên cứu, các nhà khoa học đã nhận thấy rằng khi bắn lade cường độ mạnh vào phân tử thì cường độ HHG phát ra sẽ phụ thuộc vào góc định phương phân tử

đó [14] Mặt khác, HHG phát ra ngay tại thời điểm electron tái kết hợp với ion mẹ, sau khi nó được xuyên hầm ra vùng liên tục của trường lade, chịu tác dụng của trường lade và chuyển động ngược trở lại Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng HHG thu được mang thông tin cấu trúc phân tử

Từ đó HHG được xem là một công cụ trong việc quan sát cấu trúc và quá trình biến đổi của các phân

tử, cụ thể trong luận văn là cấu trúc và quá trình biến đổi của phân tử adenine Trong phần này, tác giả

sẽ nhấn mạnh trình bày về mô hình tính toán ba bước bán cổ điển được xây dựng bởi Lewenstein (do

đó mô hình còn được gọi là mô hình Lewenstein) [10] Cho đến nay, có thể nói rằng đây chính là một

mô hình “đẹp” về giải thích cơ chế cũng như những đặc tính của hiện tượng phát xạ sóng hài bậc cao

 Chương 3 Mô hình tính toán

Đề tài không tiến hành những thí nghiệm cụ thể mà dựa vào những chương trình tính toán để tìm được số liệu HHG phát ra Vì vậy, trong chương 3, tác giả muốn giới thiệu đến người đọc đôi nét khái niệm về một mô hình tính toán, và source code thiết lập trên ngôn ngữ Fortran được sử dụng trong luận văn Mục đích chính của chương 3 là cung cấp cho người đọc cái nhìn tổng quan về các chương trình được sử dụng trong luận văn, do đó nội dung chương 3 được trình bày ngắn gọn, đơn giản Nếu người đọc muốn tìm hiểu thêm về các chương trình này có thể tham khảo tài liệu [5],[16]

 Chương 4 Kết quả và đánh giá kết quả nghiên cứu

Phần này gồm 4 mục, tác giả trình bày về các kết quả đạt được và đánh giá đối với từng nội dung

 Mô phỏng cấu trúc và orbital ngoài cùng (HOMO) của phân tử adenine: Sử dụng Gaussian

mô phỏng hai đồng phân và cấu trúc chuyển tiếp của phân tử adenine Với mô hình tính toán được thiết lập bởi phương pháp phiếm hàm mật độ DFT hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ hàm

cơ sở 6-31G+(d,p), tác giả đã mô phỏng cấu trúc tối ưu của phân tử sau đó so sánh với số liệu thực nghiệm Có khá nhiều công trình nghiên cứu cả lí thuyết lẫn thực nghiệm đưa ra kết quả

về cấu trúc phân tử các base của ADN, với việc sử các số liệu này để so sánh, tác giả nhận thấy kết quả đạt được bằng tính toán có độ tin cậy cao (sai số <2%), do đó có thể sử dụng số liệu đã

có cũng như mô hình tính toán đã thiết lập cho các phép tính toán tiếp theo Sau đó cũng với mô hình tính toán này, tác giả đã mô phỏng thành công HOMO của adenine

 Mô phỏng quá trình tautomerism của phân tử adenine: tác giả sẽ mô phỏng quá trình đồng

phân hóa của adenine chuyển từ trạng thái imino sang amino Để thực hiện được mục tiêu này, tác giả cần tính toán mặt thế năng của phân tử adenine cũng như phải mô phỏng được đường phản ứng hóa học trong quá trình chuyển đồng phân này Tác giả cũng tính được năng lượng tương quan của quá trình tautomerism của adenine, và thấy rằng kết quả này phù hợp với kết

quả trong công trình [17]

 Sử dụng dữ liệu HHG thu được để phân biệt ba trạng thái của base adenine trong quá trình tautomerism: tác giả sử dụng source code viết bằng ngôn ngữ Fortran dựa trên mô hình ba bước

Lewenstein để tính các số liệu HHG phát xạ ra khi hai tautomer và trạng thái chuyển tiếp của adenine tương tác với lade xung cực ngắn Tiến hành phân tích số liệu HHG phụ thuộc góc định phương để nhận xét về sự khác biệt giữa ba trạng thái của phân tử

 Theo dõi quá trình tautomerism của phân tử adenine: tác giả thực hiện tính toán cường độ

HHG phát ra khi chiếu lade vào phân tử adenine khi thực hiện quá trình tautomerism Khảo sát

sự phụ thuộc của cường độ HHG vào góc định phương và góc cấu trúc để nhận xét kết quả theo dõi quá trình tautomerism được hay không

Kết luận sẽ là phần cuối của luận văn Trong phần này, tác giả sẽ tóm tắt lại các kết quả đã đạt được, và đề xuất hướng phát triển cho đề tài vì hiện nay bài toán HHG về thu nhận thông tin cấu trúc động của phân tử và các quá trình đồng phân hóa đang thu hút được sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới

Chương 1 Cơ sở lý thuyết về ADN

1.1 Thành phần và cấu trúc của ADN

Axit Deoxyribonucleic (ADN) – một trong hai loại của axit nucleic được nhà khoa học F.Miescher phát hiện năm 1869 – là cơ sở vật chất di truyền ở cấp độ phân tử

1.1.1 Thành phần

ADN là đại phân tử, được tạo thành bởi hai chuỗi xoắn kép liên kết với nhau bởi liên kết hydro,

mỗi sợi đơn là một chuỗi polynucleotide gồm nhiều các deoxyribonucleotide nối với nhau bằng liên kết photphat Mỗi nucleotide gồm một nucleoside liên kết với gốc photphat

Nucleoside là cấu trúc chỉ gồm bazơ nitơ với đường pentose Các bazơ nitơ gắn với đường

pentose bằng liên kết cộng hóa trị ở vị trí C-1' của đường với nitơ ở vị trí số 9 của purine hoặc ở vị trí nitơ số 1 của pyrimidine

Nucleotide là sản phẩm gắn phosphate của nucleoside Liên kết giữa pentose và acid phosphoric

là liên kết este do loại một phân tử nước giữa OH của acid và H của alcol (ở vị trí 5’ của pentose) Đối với phân tử ADN thì nucleotide thuộc loại deoxyribo nên được gọi là deoxyribonucleotide Cấu tạo của một đơn phân nucleotide được thể hiện như hình 1.1

Hình 1.1: Công thức cấu tạo của Nucleoside và Nucleotide

Chuỗi polynucleotide là một dãy các nucleotide nằm liền kề nối với nhau thành một mạch dài,

qua liên kết phosphodieste giữa nhóm hydroxyl ở đầu C-5' của đường pentose của nucleotide này với nhóm phosphate tại đầu C-3' của nucleotide nằm vị trí kế tiếp Mỗi mạch polynucleotide mang tính phân cực: một đầu C-5' mang nhóm phosphate (hoặc đôi khi là hydroxyl) còn đầu kia C-3' luôn mang nhóm hydroxyl

Như vậy thành phần cơ bản của ADN chính là các nucleotide Mỗi nucleotide gồm 3 thành phần như sau:

 Base (bazơ nitơ): Là các dẫn xuất hoặc của pyrimidine, gồm cytosine (C), thymine (T) và uracil

(U) – không có ở ADN; hoặc của purine, gồm adenine (A) và guanine (G)

 Pentose: Có hai loại pentose tham gia vào cấu tạo của nucleotide là ribose (xuất hiện trong ARN)

và deoxyribose (xuất hiện trong ADN) Các nguyên tử carbon của pentose được quy ước đánh số

có dấu phẩy để tránh nhầm lẫn với các số trong base

 Axit Phosphoric: Là một tri axit, hai trong số 3 chức axit được este hóa trong phân tử ADN và

ARN

Thành phần cấu tạo của ADN được thể hiện rõ ràng qua hình vẽ 1.2:

Hình 1.2: Thành phần cấu tạo của ADN

Hình 1.3: Các base của ADN

Mỗi loại bazơ nitơ có hai tautomer (đồng phân hỗ biến): một dạng phổ biến và một dạng hiếm

gặp Cụ thể, đối với A và C thì dạng phổ biến là amino và dạng hiếm gặp là imino; còn đối với G và T dạng phổ biến là keto, dạng hiếm gặp là enol

Hình 1.4: Các base và các tautomer tương ứng

1.1.2 Cấu trúc

Năm 1953, James Waston (nhà Sinh vật học người Mỹ) và Francis Crick (nhà Vật lý người Anh) đã công bố mô hình cấu trúc phân tử axit nucleic Đây cũng chính là mô hình cấu trúc ADN ở trạng thái hoạt động phổ biến nhất

Hình 1.5: Cấu trúc không gian của ADN

Mỗi phân tử ADN sợi kép gồm hai mạch đơn polynucleotide ngược chiều nhau, bazơ purine của sợi này nằm đối diện với bazơ pyrimidine của sợi kia theo quy luật bổ sung nghiêm ngặt: A liên kết với

T bằng hai liên kết hydro, G liên kết với C bằng ba liên kết hydro Nguyên tắc liên kết này còn gọi là nguyên tắc bổ sung hay nguyên tắc Charaff (do Erwin Charaff phát hiện đầu tiên năm 1950)

Hình 1.6: Phân tử ADN sợi kép, mỗi phân tử gồm hai mạch đơpolynucleotide, liên kết với nhau qua

liên kết hydro giữa các nucleotide đối diện trên hai mạch theo nguyên tắc bổ sung

Để có cấu trúc hai mạch polynucleotide liên kết bổ sung với nhau suốt dọc chiều dài phân tử ADN, các nucleotide của một mạch phải quay 180 độ so với các nucleotide của mạch đối diện Đặc điểm quay như vậy là cần thiết để có thể hình thành các liên kết hydro Vì lý do này mà cấu trúc ADN gồm một mạch chạy theo chiều 5' → 3', còn mạch kia chạy theo chiều ngược lại là 3' → 5', gọi là cấu trúc song song ngược chiều hay đối song song

Hình 1.7: Cấu trúc song song ngược chiều hay đối song song của AND sợi kép

Đây là cấu trúc phổ biến nhất, gọi là dạng B – dạng được Waston và Crick mô tả Tùy thuộc vào yếu tố môi trường xung quanh như độ pH, độ ẩm, hàm lượng muối, tính ưa nước mà phân tử ADN sợi kép có thể xuất hiện các cấu hình không gian khác như A, Z

Hai mạch đơn của phân tử ADN sợi kép xoắn xung quanh nhau về phía phải Cấu trúc xoắn đều đặn như vậy tạo ra hai loại khe: khe chính và khe phụ (khe chính rộng hơn khe phụ) Mỗi vòng xoắn gồm 10 bazơ nitơ có chiều dài 3.4 nm

1.2 Chức năng sinh học của ADN

Ở phần lớn các loài sinh vật (trừ một số virus) ADN có chức năng là vật chất mang thông tin di truyền, nên ADN có các đặc tính cơ bản:

 Có khả năng lưu giữ thông tin ở dạng bền vững cần cho việc cấu tạo, sinh sản và hoạt động của tế bào

 Có khả năng sao chép chính xác để thông tin di truyền có thể được truyền từ thế hệ này sang thế hệ kế tiếp thông qua quá trình phân bào hay quá trình sinh sản

 Thông tin chứa đựng trong vật chất di truyền phải được dùng tạo ra các phân tử cần cho cấu tạo và hoạt động của tế bào.Vật liệu di truyền có khả năng biến đổi nhưng những thay đổi (đột biến) chỉ xảy ra ở tần số thấp

1.3 Quá trình tự nhân đôi ADN

Quá trình tự nhân đôi ADN hay tổng hợp ADN là một cơ chế sao chép các phân tử ADN xoắn kép trước mỗi lần phân bào tạo ra hai phân tử ADN con giống nhau hoàn toàn, một mạch cũ có nguồn gốc từ phân tử ADN gốc gọi là mạch khuôn và một mạch mới được tổng hợp Đó là nguyên tắc bán bảo toàn Trong quá trình tổng hợp mạch mới, môi trường nội bào phải cung cấp đầy đủ các loại nucleotide khác nhau để tạo liên kết với các nucleotide của mạch khuôn theo nguyên tắc bổ sung

Hình 1.8: Mô tả quá trình tổng hợp ADN

Trong quá trình tổng hợp ADN, nếu có những sai sót xảy ra thì thông tin di truyền đã bị thay đổi, dẫn đến hậu quả là gây đột biến ở những thế hệ sau

1.4 Đột biến

Đột biến là những thay đổi trong vật chất di truyền duy trì qua các thế hệ Có hai loại đột biến trong cơ thể sinh vật: đột biến tự phát và đột biến nhân tạo

 Đột biến tự phát là những đột biến mà tác nhân gây đột biến thường không cụ thể, có thể là

do các sai hỏng trong quá trình trao đổi chất trong cơ thể gây nên hoặc do những tác nhân không xác định từ môi trường Nhìn chung đột biến này xảy ra với một tần số rất thấp, do tế bào có hệ thống tìm kiếm và sửa chữa các sai hỏng ADN hoạt động hiệu quả

 Đột biến nhân tạo là đột biến xuất hiện khi tế bào cơ thể sinh vật được xử lý với các tác nhân lý hoặc hóa khác nhau như: tia cực tím, bức xạ ion và nhiều hóa chất khác làm cho cấu trúc và trình tự các nucleotide trong phân tử ADN bị thay đổi

Đột biến nhìn chung là có hại và thường ở trạng thái lặn Tuy nhiên cũng có những đột biến có ý nghĩa quan trọng trong sự tiến hóa, vì đột biến chính là nguyên liệu sơ cấp của tiến hóa Nếu không có đột biến thì mọi gen đều tồn tại ở một trạng thái duy nhất, không thể tiến hóa để thích nghi với điều kiện thay đổi của môi trường

1.4.1 Đột biến do lỗi sao chép ADN

Như đã trình bày, trong phân tử ADN các base tồn tại dưới hai dạng tautomer (bền và kém bền) Thông thường các base sẽ tồn tại ở dạng tautomer tự nhiên bền Tuy nhiên dưới một số điều kiện nào

đó, các base vẫn có khả năng chuyển sang dạng tautomer kém bền hơn Quá trình đó được gọi là sự hỗ biến hóa học (tautomerism) Các dạng hiếm gặp của các purine hay pyrimidine dù có thời gian tồn tại

rất ngắn nhưng nếu trong thời gian tồn tại đó, chúng được huy động vào quá trình tổng hợp ADN thì đột biến sẽ xảy ra, khi đó các cặp bazơ nitơ được hình thành là A và C (bằng hai liên kết hydro); G và

T (bằng ba liên kết hydro) Hậu quả là sau hai lần sao chép thì cặp A và T thành G và C, cặp G và C thành cặp A và T Các đột biến do hiện tượng hỗ biến hóa học gây ra làm thay thế cặp purine - pyrimidine này bằng một cặp purine – pyrimidine khác được gọi là đột biến đồng hoán Còn đột biến thay thế một purine thành một pyrimidine hoặc ngược lại thì được gọi là đột biến dị hoán

Hình 1.9: Sự sai hỏng trong sao chép ADN do sự biến đổi từ dạng tautomer bền sang dạng tautomer

Hình 1.10: Các dạng hỗ biến của các base trong ADN (A) Các dạng amino (phổ biến) của adenine và

cytosine có thể biến đổi thành các dạng imino; và (B) các dạng keto (phổ biến) của guanine

và thymine có thể sắp xếp lại thành các dạng enol Các mũi tên biểu thị sự dịch chuyển vị trí nguyên tử hydro R là gốc đường và phosphate

1.4.2 Đột biến do tác nhân hóa học

Ngày nay con người đã phát hiện ra nhiều các hợp chất có khả năng gây đột biến, giúp chúng ta hiểu hơn về cơ chế đột biến ở cấp độ phân tử Các tác nhân gây đột biến hóa học có thể phân thành hai nhóm chính: nhóm tác động đến ADN đang sao chép hay không sao chép, bao gồm các hợp chất alkyl hóa và axit nitơ; nhóm tác động đến các ADN đang sao chép, bao gồm các hợp chất có cấu trúc gần giống purine và pyrimidine (gọi là các hợp chất thế bazơ nitơ) và cả thuốc nhuộm acridine

 Các hợp chất alkyl hóa là các chất có khả năng chuyển các nhóm -CH3 hoặc -C2H5 … sang các bazơ nitơ của ADN

 Axit nitơ là một chất gây đột biến mạnh tác động lên phân tử ADN bất kể có đang sao chép hay không Nó là một chất oxy hóa mạnh, làm cho nhóm amin (-NH2) bị loại ra khỏi A, G, và

C Phản ứng này làm dạng amino chuyển hóa thành keto và làm thay đổi khả năng liên kết hydro của các bazơ nitơ Adenine sau khi mất nhóm amin thì chuyển thành zhypoxanthine có

xu hướng liên kết với cytosine, còn cytosine thì chuyển thành uracil (một bazơ nitơ thuộc dạng purine nhưng bình thường chỉ có mặt trong phân từ RNA) sẽ liên kết với adenine thay vì với guanine Guanine thì chuyển thành xanthine nhưng xanthine thì vẫn liên kết với cytosine (nên loại nhóm amin của guanine không gây đột biến)

 Các hợp chất thế bazơ nitơ do có cấu trúc giống các bazơ nitơ nên có thể cài vào chuỗi polynucleotide đang tổng hợp Nhưng đồng thời chúng gây sự kết cặp sai trong quá trình sao chép

 Các thuốc nhuộm acridine như proflavine hay các dẫn xuất acridine khác, là các hợp chất gây đột biến mạnh theo kiểu đột biến dịch khung

Ngoài ra còn có đột biến do các tác nhân vật lý (như tia cực tím, tia X, tia gamma, các tia vũ trụ năng lượng cao ) hay do các yếu tố di truyền vận động (gen nhảy) hay sự tạo lại các bộ ba nucleotide

và các bệnh di truyền

Chương 2 Tổng quan về lade và cơ…Šế phát xạ HHG

2.1 Lí thuyết về lade

2.1.1 Sơ lược về lade

LASER là viết tắt của cụm từ tiếng Anh Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, nghĩa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức Bức xạ cưỡng bức được đề cập đến ở

đây chính là bức xạ cảm ứng, là hiện tượng kích thích cho nguyên tử phát xạ photon do sự dịch chuyển của nguyên tử từ trạng thái kích thích sang trạng thái năng lượng thấp hơn bằng cách chiếu vào nguyên

tử đó photon kích thích có năng lượng phù hợp Trong trường hợp này, từ một photon kích thích sẽ bức

xạ ra hai photon: một photon do sự phát xạ của nguyên tử và photon còn lại chính là photon kích thích ban đầu, nó không bị hấp thụ mà thoát ra khỏi nguyên tử Hai photon này hoàn toàn đồng nhất nhau, nghĩa cùng năng lượng, cùng phương, cùng hướng, cùng pha, cùng độ phân cực Đây cũng chính là nguồn gốc làm cho lade có những tính chất đặc biệt và trở thành một công cụ đắc lực trong khoa học

Albert Einstein là người đã tình cờ đặt nền móng đầu tiên cho sự ra đời của lade khi ông nhận ra rằng trong sự tương tác giữa ánh sáng với vật chất sự phát xạ không chỉ xảy ra một cách ngẫu nhiên mà

còn có thể xảy ra có định hướng do tác động của yếu tố bên ngoài Trong bài báo Zur Quantentheorie der Strahlung công bố năm 1917, ông đã đề xuất sự tồn tại của bức xạ cảm ứng Khi đó, Einstein đã

nghĩ rằng phát hiện của ông hoàn toàn là một ý tưởng khoa học, một điều thú vị của tự nhiên chứ không thể có một ứng dụng thực tiễn nào, bởi theo ông không thể nào có được một môi trường mà các nguyên tử đã bị kích thích có thể được duy trì, vì chúng có tuổi thọ rất ngắn (vài phần triệu giây)

Những điều tình cờ, thú vị, và bất ngờ luôn là yếu tố mang lại màu sắc độc đáo cho khoa học

Có lẽ Einstein cũng đã không thể ngờ rằng chính phát kiến của ông lại là cơ sở cho sự ra đời của một thiết bị đầy “quyền năng” mà trong cuộc sống hiện nay không thể thiếu, đó chính là kĩ thuật khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức – lade Tuy vậy, con đường dẫn đến sự ra đời của thiết bị này là cả một quá trình nghiên cứu và đóng góp của nhiều nhà khoa học trên thế giới

Năm 1953, Townes, Gordon và Zeiger công bố một thiết bị mà Townes gọi là MASER, nghĩa là

sự khuếch đại sóng vô tuyến do bức xạ cưỡng bức và đăng ký bản quyền sáng chế tại ĐH Columbia Sau đó 5 năm, năm 1958 có thể coi là năm đánh dấu việc phát minh ra lade, với sự ra mắt của bài báo khoa học có tiêu đề “Các maser quang học và hồng ngoại” của Arthur L Schawlow – khi đó là một nhà nghiên cứu của phòng thí nghiệm Bell, và Charles H Townes – khi đó là một cố vấn của phòng thí nghiệm Bell, được đăng trên tạp chí Physical Review của Hội Vật lý Mỹ Bài báo được đăng trên tạp chí Physical Review số tháng 12/1958, khẳng định rằng nguyên lý của maser có thể được mở rộng cho

những vùng khác của quang phổ, và gọi thiết bị đó là LASER, dù cho họ vẫn chưa chế tạo được một lade thực sự

Dựa theo ấn bản của Townes và Schawlow năm 1958, Theodore Maiman, trong lúc đang làm việc tại trung tâm nghiên cứu Hughes, đã tạo ra thiết bị tạo ra lade đầu tiên trên thế giới – lade ruby Theodore Maiman công bố kết quả đạt được này tại buổi họp báo tại New York City vào tháng

7, 1960, và bị báo chí cho rằng đây là sáng chế của "tia tử thần" Tuy nhiên, sau những kết quả mà lade mang lại, Maiman đã cho thấy đây chính là nguồn “ánh sáng kì diệu” mở ra những ứng dụng thật sự mới mẻ trong khoa học Ông cũng giới thiệu khái niệm lade hoạt động dạng xung – pulsed lade operation (cho đến thời điểm đó người ta chỉ tập trung vào xung liên tục – continuous wave), khả năng cung cấp mức năng lượng lớn trong một thời gian phát xung rất ngắn, mở ra một tiềm năng to lớn về các ứng dụng trong lĩnh vực quang học phi tuyến tính

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của lade

Lade là một thiết bị dùng để tạo ra một chùm ánh sáng cực mạnh Nó kích thích các nguyên tử

 Buồng cộng hưởng – là một hệ gương đặt ở hai đầu khối hoạt chất để tạo liên kết phản hồi dương trong dãy tần số khả kiến

Hình 2.1: Cấu tạo cơ bản và cơ chế hoạt động của lade: (1): Buồng cộng hưởng (vùng bị kích

thích);(2): Nguồn năng lượng phát xạ mạnh;(3): Gương phản xạ toàn phần;(4): Gương bán mạ;(5): Tia lade

2.1.3 Tính chất của lade

 Độ định hướng cao: tia lade phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa hàng

nghìn km mà không bị phân tán

 Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất Do vậy chùm lade

không bị tán sắc khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có được

 Tính đồng bộ: các photon trong chùm tia lade luôn cùng pha

 Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung

năng lượng tia lade cực lớn trong thời gian cực ngắn

Nhờ các tính chất đặc biệt này, ánh sáng lade trở thành một công cụ thiết yếu trong các ngành khoa học, đặc biệt hiện nay là ngành khoa học nghiên cứu về thế giới vi mô

2.1.4 Các chế độ hoạt động của lade

Lade có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục hay bức xạ xung Điều này dẫn đến những khác biệt cơ bản khi xây dựng hệ lade cho những ứng dụng khác nhau

Với lade ở chế độ phát xung, cường độ của lade tuy thay đổi theo thời gian, nhưng lại có thể đạt đến giá trị công suất lớn và vì vậy hiệu quả của việc sử dụng xung lade sẽ cao hơn

Hình 2.2: Lade hoạt động theo chế độ phát xung

2.1.5 Sự phát triển của lade siêu ngắn

Hiện nay, bài toán tìm hiểu cấu trúc của các vật thể vi mô luôn là một trong những “ẩn số” thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong cộng đồng khoa học Một số phương pháp phổ biến hiện nay có thể đề cập đến đó là phương pháp phân tích quang phổ như quang phổ hồng ngoại, quang phổ tia cực tím, quang phổ Raman…, hoặc phương pháp nhiễu xạ electron, nhiễu xạ tia

X Như chúng ta đã biết, các hiện tượng ở bên trong nguyên tử, phân tử xảy ra theo một thang thời gian rất đặc trưng và nhỏ hơn nhiều so với thang đo thông thường trong cuộc sống của chúng ta Trong khi

đó, độ phân giải thời gian trong các phương pháp quang phổ, hoặc nhiễu xạ thì lớn hơn rất nhiều lần so với thời gian diễn ra sự vận động trong nguyên tử, phân tử Vì vậy, khi sử dụng các phương pháp ta trên sẽ chỉ thu nhận được các thông tin tĩnh về cấu trúc phân tử Bài toán mới được đặt ra cho các nhà nghiên cứu là phải xây dựng được những phương pháp mới có khả năng thu nhận thông tin cấu trúc động của phân tử trong khoảng thời gian gắn liền với sự chuyển động ở cấp độ nguyên tử, phân tử

Lade ra đời hoạt động theo cơ chế phát xung đã thực sự trở thành một công cụ hữu hiệu mở ra

cơ hội mới cũng như thách thức mới trong lĩnh vực thu nhận thông tin cấu trúc động của nguyên tử, phân tử Từ đó, công cuộc rút ngắn xung lade đã trở thành một yêu cầu bức thiết đối với các nhà nghiên cứu Sau 4 năm kể từ lần đầu tiên ra đời, xung lade đã ở đạt mức cỡ pico giây, đến năm 1990, xung lade đã được rút ngắn vào cỡ femto giây Điều này có ý nghĩa rất quan trọng, bởi lẽ femto giây chính là cấp thời gian của nguyên tử; là một chu kì của sóng ánh sáng khả kiến; là cấp thời gian của các phản ứng hóa học Ngưỡng xung lade femto giây tưởng chừng như là một bức tường vững chắc trong cuộc chạy đua “xung lade siêu ngắn”, song trong thập kỉ này, mục tiêu của nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới là phải phá vỡ bức tường này, tức phải rút ngắn xung lade xuống ở mức atto giây – thang thời gian chuyển động của electron Và mục tiêu đó thực sự không hề xa vời, bởi trong vài năm trở lại đây, một số nhà nghiên cứu trên thế giới đã có những đột phá khi tạo ra được các xung lade ở mức atto giây Gần đây nhất, vào tháng 8 năm 2008, xung lade 80 as đã được chế tạo trong phòng thí nghiệm Max-Planck (Đức) và Lawrence Berkeley (Mỹ) Từ đó, một lĩnh vực mới đã ra đời có tên gọi

là Vật lí học thang thời gian atto giây (Attosecond Physics) Ngành khoa học mới này đã làm bùng nổ vật lí học và cả hóa học đến một mức độ không ngờ Xung atto giây mở ra hướng mới nghiên cứu những lĩnh vực liên quan thang thời gian siêu ngắn Một khả năng hứa hẹn những thay đổi trong hiểu biết về vật chất Cả Science và Nature, hai trong số các tờ báo khoa học tên tuổi trên thế giới đã nêu sự

phát triển của xung atto giây là 1 trong 10 thuận lợi quan trọng nhất trong tất cả các ngành khoa học vào năm 2002

Hình 2.3: Quá trình rút ngắn chiều dài xung lade theo thời gian

Hiện nay, để chế tạo ra xung lade atto giây, có hai cơ chế khả thi để thực hiện, đó là sự phát xạ HHG và sự tán xạ Raman kích thích từng đợt (Cascaded Stimulated Raman Scattering – CSRS) Trong luận văn này tác giả sẽ trình bày về cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao khi cho lade xung cực ngắn, cường

độ mạnh tương tác với phân tử, nguyên tử Đây là một phương pháp để tạo nguồn ánh sáng xung siêu ngắn trong vùng XUV (Extreme urtraviolet) và vùng tia X mềm (Soft X-rays) Tuy nhiên chính sự ra đời của sóng hài bậc cao đã mang lại cho khoa học những con đường khám phá mới mẻ về thế giới vi

mô ở cấp nguyên tử, phân tử

Hình 2.4: Các vùng phổ ánh sáng

2.2 Tương tác giữa trường lade với nguyên tử, phân tử

Khoa học nghiên cứu về lĩnh vực tương tác ánh sáng-vật chất đã phát triển từ lâu, một trong những nghiên cứu cổ điển là tác phẩm “Photon – Atom Interactions” của Wessbluth Nội dung chủ yếu của quyển sách là sự tương tác của nguyên tử với các trường ánh sáng yếu, sự tương tác này gây ra sự hấp thụ hoặc phát xạ của một vài lượng tử Hiện nay với việc tạo ra được những xung lade ngắn có

cường độ mạnh, một loạt các hiện tượng mới lạ đã xảy ra khi cho lade tương tác nguyên tử, phân tử Điều này đã kích thích sự khám phá của nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới Trong số các hiện tượng

đó ta chú ý đến hai hiện tượng:

 Sự ion hóa vượt rào (above-threshold, abve-barrier ionization)

 Sự phát các sóng hài bậc cao HHG

Ngành quang học nghiên cứu về sự tương tác giữa trường lade mạnh với vật chất được gọi là

ngành quang học phi tuyến (nonlinear optics)

2.2.1 Giới thiệu về quang học phi tuyến

Quang học nghiên cứu về những nguồn sáng thông thường (không phải là nguồn lade) được gọi

là quang học tuyến tính Đối với những nguồn sáng thông thường, cường độ điện trường của ánh sáng phát ra tương đối yếu (khoảng 103 V/cm) so với cường độ điện trường trong phân tử, nguyên tử (khoảng 107 V/cm đến 109 V/cm) Khi bức xạ truyền qua một môi trường vật chất, thì vectơ phân cực điện P là một hàm tuyến tính theo điện trường E của bức xạ truyền qua Các tính chất quang học của môi trường sẽ phụ thuộc vào tần số bức xạ truyền qua mà không bị ảnh hưởng bởi cường độ điện trường của bức xạ

Tuy nhiên từ khi lade ra đời , bức xạ lade được tạo ra ngày càng có cường độ mạnh hơn Cường

độ điện trường của lade (từ 105 V/cm đến 109 V/cm) xấp xỉ hoặc mạnh hơn so với trường Coulomb trong nguyên tử Chính vì vậy, sự tương tác của trường lade với phân tử, nguyên tử sẽ chịu sự ảnh hưởng bởi cường độ điện trường của bức xạ lade Lúc này vectơ phân cực của môi trường có sự ảnh hưởng của trường lade sẽ không biến thiên tuyến tính theo cường độ điện trường, mà sẽ là một ma trận Khi này, sự tương tác của trường lade với vật chất sẽ xảy ra những hiệu ứng quang học mới, và dẫn đến sự ra đời của một ngành quang học mới, đó là ngành quang học phi tuyến tính Danh từ này bắt nguồn từ biểu thức phi tuyến giữa vectơ phân cực điện Pvà điện trường E

2.2.2 Tương tác giữa trường lade và nguyên tử

2.2.2.1 Trường lade yếu so với trường Coulomb (trường hợp nhiễu loạn)

Khi trường lade tương đối yếu hơn so với trường Coulomb trong nguyên tử thì nó chỉ có tác dụng làm nhiễu loạn trường Coulomb trong nguyên tử đó, gây ra sự dao động của các electron Các electron lúc này sẽ không chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác mà chỉ dao động quanh vị trí ban đầu của nó, hay nói cách khác trường lade đã “khuấy động” trạng thái của electron trong nguyên

tử Các mức năng lượng trong nguyên tử chỉ bị dịch chuyển nhẹ với độ dịch chuyển tỉ lệ với bình phương biên độ điện trường lade ( 2

a

E ) gọi là sự dịch chuyển Stark (ac Stark shift) Lúc này hiệu ứng

phi tuyến có thể xét như hiệu ứng nhiễu loạn, và các nhà khoa học đã sử dụng lí thuyết nhiễu loạn để

giải quyết bài toán tương tác trong vùng này Do đó, vùng này được gọi là vùng nhiễu loạn (perturbative regime) của quang học phi tuyến

Trong vùng nhiễu loạn này hiện tượng ion hóa có thể xảy ra theo cơ chế đa photon, nghĩa là electron sẽ hấp thụ liên tiếp nhiều photon làm cho năng lượng của nó tăng dần đến khi lớn hơn không

Sự ion hóa như vậy gọi là sự ion hóa đa photon Khi cường độ lade tăng lên đến mức đủ lớn, phép gần

đúng nhiễu loạn sẽ bị vi phạm và lúc này sự tương tác giữa lade và nguyên tử, phân tử sẽ xảy ra theo

cơ chế ion hóa xuyên hầm hoặc ion hóa vượt rào

Hình 2.5: Hiện tượng ion hóa đa photon

2.2.2.2 Trường lade tương đương hoặc mạnh hơn trường Coulomb (vùng trường mạnh):

Khi trường lade tương đương hoặc mạnh hơn so với trường Coulomb trong nguyên tử, phân tử, trường lade tác dụng lên các electron lớp ngoài cùng gây ảnh hưởng đến trường thế Coulomb trong nguyên tử Do đó electron có thể thoát ra khỏi trạng thái của nó theo cơ chế xuyên hầm hoặc vượt rào trước khi trường lade đổi dấu Bó sóng electron sau đó sẽ dao động trong trường phân cực thẳng của lade với biên độ dao động lớn hơn bán kính Bohr nhiều về độ lớn và động năng trung bình của mỗi chu

kì dao động lớn hơn năng lượng liên kết Ip (thế ion hóa của điện tử) Trong vùng này lí thuyết nhiễu

loạn bị vi phạm và không thể sử dụng, ta gọi vùng này là vùng trường mạnh của quang học phi tuyến (Strong-field regime)