theo dõi quá trình động học phân tử thymine bằng lade xung cực ngắn

Trong bối cảnh đó sự ra đời của các xung lade xung cực ngắn đã tạo điều kiện cho các nhà khoa học có thể đi sâu khám phá cấu trúc động của phân tử.. Cụ thể, trong các công trình [6], [7]

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP.HCM

KHOA V ẬT LÝ

  

LU ẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành tốt nhất khóa học và luận văn này, tôi đã nhận được sự động viên giúp đỡ, khích lệ về

m ặt vật chất cũng như tinh thần từ thầy cô, gia đình, bạn bè và người thân Thông qua luận văn này tôi xin

g ửi tới lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cả mọi người

Tôi xin g ửi lời tri ân sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn PGS.TSKH Lê Văn Hoàng đã tận tình hướng

d ẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện luận văn này

Tôi c ũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Ngọc Ty đã tận tình hướng dẫn tôi trong

vi ệc làm quen và sử dụng các phần mềm mô phỏng cũng như động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện

lu ận văn này

Tôi xin c ảm ơn gia đình đã tạo mọi điều kiện, động viên giúp tôi vững tâm học tập trong những năm

h ọc đại học cũng như trong thời gian tôi làm luận văn

Tôi xin g ửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Vật lý-Trường ĐHSP TP.HCM đã tận tình giảng

d ạy truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong những năm tháng trên giảng đường đại học để tôi có được hành trang vững chắc nhất trên con đường vào đời

Tôi xin g ửi lời cảm ơn đến các thành viên trong nhóm nghiên cứu cũng như bạn bè đã giúp đỡ, động viên tôi trong thời gian làm luận văn cũng như những năm tháng trên giảng đường đại học

Cuối cùng tôi xin gửi lời chúc sức khỏe đến thầy cô, gia đình và bạn bè

TP.H ồ Chí Minh, ngày 29-4-2010

M ỤC LỤC Trang

DANH M ỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 5

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ Error! Bookmark not defined L ỜI MỞ ĐẦU 6

Ch ương 1 C ơ sở lý thuyết về ADN 12

1.1 Thành phần và cấu trúc của ADN 12

1.1.1 Thành phần 12

1.1.2 Cấu trúc 15

1.2 Chức năng sinh học của ADN 16

1.3 Quá trình tự nhân đôi ADN 16

1.4 Đột biến 17

1.4.1 Đột biến do tác nhân hóa học 17

1.4.2 Đột biến do lỗi sao chép ADN 18

Ch ương 2 T ổng quan về lade và cơ chế phát xạ sóng hài 21

2.1 Lý thuyết về lade 21

2.1.1 Sơ lược về lade 21

2.1.2 Nguyên lý hoạt động của lade 22

2.1.3 Tính chất của lade 23

2.1.4 Các chế độ hoạt động của lade 23

2.1.5 Sự phát triển của lade xung siêu ngắn 24

2.2 Tương tác giữa trường lade với nguyên tử, phân tử 25

2.2.1 Giới thiệu về quang học phi tuyến 26

2.2.2 Tương tác giữa trường lade và nguyên tử 26

2.2.3 Tương tác của nguyên tử với một xung lade 29

2.2.4 Hệ số Keldysh 30

2.2.5 Tốc độ ion hóa 31

2.3 Sự phát xạ sóng hài bậc cao 32

2.3.1 Giới thiệu về sóng hài bậc cao 32

2.3.2 Mô hình ba bước Leweistein 33

Ch ương 3 Mô hình tính toán và mô hình thí nghi ệm 37

3.1 Giới thiệu về phần mềm Gaussian 37

3.1.1 Các chức năng tính toán 37

3.1.2 Phương pháp tính toán 38

3.1.3 Hệ hàm cơ sở 39

3.1.4 Cấu trúc nguyên tử, phân tử 39

3.2 Giới thiệu về FORTRAN 40

3.3 Mô hình thí nghiệm mô phỏng 40

Ch ương 4 K ết quả 41

4.1 Mô phỏng cấu trúc và HOMO của phân tử thymine 41

4.2 Phân biệt các trạng thái của phân tử thymine 43

4.3 Mô phỏng quá trình động học phân tử của phân tử thymine 45

4.4 Theo dõi quá trình động học phân tử của phân tử thymine 46

K ẾT LUẬN 49

H ƯỚNG PHÁT TRIỂN 50

TÀI LI ỆU THAM KHẢO 51

LASER: lade (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Opt: tối ưu hóa (Optimization)

PES: Mặt thế năng (Potential Energy Surface)

PS: Picosecond (10-12s)

L ỜI MỞ ĐẦU

Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, hầu như không một sự phát triển nào của khoa học kỹ thuật lại không mang trong nó những thành tựu của nền khoa học cơ bản nói chung và Vật lý học nói riêng Vật lý không chỉ đi sâu nghiên cứu tìm hiểu các quá trình, các quy luật vận động của sự

vật diễn ra trong cuộc sống mà còn tiến sâu hơn vào thế giới của những phân tử, nguyên tử, những electron vô cùng nhỏ bé Ở trong thế giới này những quy luật vận động, những định luật Vật lý ở thế

giới vĩ mô dường như đã bị vi phạm Làm thế nào để đi sâu khám phá bản chất của thế giới vi mô luôn là đề tài nóng hổi và có tính thời sự Để làm được điều đó, chúng ta cần có những công cụ,

những thước đo và giá trị đo của nó tương ứng với những thang đo trong thế giới vi mô Để tìm hiểu thông tin cấu trúc phân tử, nguyên tử quang phổ hồng ngoại, nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ điện tử hay tán

xạ Raman là những phương pháp thường được sử dụng Tuy nhiên khi sử dụng những phương pháp này có một hạn chế là chúng ta chỉ có thể biết được những thông tin về cấu trúc tĩnh của phân tử, nguyên tử như khoảng cách, góc liên kết giữa các nguyên tử Nguyên nhân của điều này chính là do

độ phân giải của các phương pháp trên lớn hơn rất nhiều so với thời gian diễn ra quá trình vận động

của các quá trình trên Như chúng ta đã bi ết sự dao động của các nguyên tử diễn ra trong thời gian

thời gian femto giây Tưởng chừng như bức tường femto giây là một giới hạn khó vượt qua thì chỉ

mất có 5 năm, bức tường femto giây đã bị xô đỗ Năm 2006 nhóm các nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Ý đã chế tạo thành công lade có độ dài xung 130 as, thậm chí số liệu gần đây nhất cho biết xung lade 80 as đã được chế tạo thành công tại phòng thí nghiệm Max-Planck và Lawrence Berkeley Nhờ có những tiến bộ này, tìm hiểu cấu trúc động phân tử trở thành một đề tài được quan tâm trong cộng đồng khoa học Năm 1994 nhóm các nhà khoa học Canada đã sử dụng lade có độ dài xung 30 fs cho tương tác với phân tử khí N

s) Trong bối cảnh đó sự ra đời của các xung lade xung cực ngắn đã tạo điều kiện cho các nhà khoa học có thể đi sâu khám phá cấu trúc động của phân tử

2 Từ nguồn dữ liệu HHG (High – order Harmonic Generation), hình ảnh HOMO (Highest Occupied Moleculer Orbital) của phân tử khí N2 đã được tái tạo Đặc biệt lade sử dụng

có độ dài xung 30 fs do đó thông tin thu được là thông tin động Chính sự thành công này đã m ở ra hướng nghiên cứu mới trong cộng đồng khoa học Hàng loạt công trình được công bố sử dụng nguồn HHG để chụp ảnh của phân tử, trích xuất thông tin khoảng cách liên hạt nhân, theo dõi quá trình động học phân tử đã được nghiên cứu [6], [7] Cụ thể, trong các công trình [6], [7] các tác giả đã khẳng định được rằng có thể sử

dụng nguồn dữ liệu HHG để theo dõi quá trình đ ồng phân hóa HCN/HNC và acetylen/vinyliden

bằng cách cho lade có xung cực ngắn (10 fs) và cường độ mạnh (~1014

W/cm2

ADN (Axit Deoxyribonucleic) là phân tử mang thông tin di truyền mã hóa cho hoạt động

) tương tác với các phân tử Chính những công trình này đã định hướng cho chúng tôi thực hiện luận văn “Theo dõi quá

sinh trưởng và phát triển của tất cả các dạng sinh vật sống bao gồm cả một số virus ADN gồm ba thành phần cơ bản: bazơ nitơ, đường pentose, nhóm phosphate và được coi là vật liệu di truyền ở

cấp độ phân tử tham gia quyết định các tính trạng ADN 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 phosphodieste [1] Thông tin di truyền chứa trong ADN được giải mã dưới dạng trình tự sắp xếp của các bazơ nitơ Bazơ nitơ trong phân tử ADN là các dẫn xuất 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 đã chỉ ra rằng mỗi bazơ nitơ thường tồn tại dưới hai dạng đồng phân hỗ biến (tautomer): bazơ nitơ purine có hai tautomer là amino (bền) và imino (kém bền), bazơ nitơ pyrimidine có hai tautomer là keto (bền) và enol (kém bền) Thông thường, các bazơ nitơ sẽ tồn

tại trong phân tử ADN dưới dạng tautomer phổ biến (keto và amino) Tuy nhiên trong quá trình phát triển của sinh vật, đôi khi dưới một số điều kiện nào đó, các bazơ nitơ 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 G và C, cặp G và C thành cặp A và T, dẫn đến hậu quả là thông tin di truyền không được nguyên vẹn cho thế hệ sau Cơ chế gây đột biến gen như vậy gọi là sự hỗ biến hóa học (tautomerism hay tautomer hóa) [1] Do tính chất quan trọng của quá trình tautomer hóa đối với sự đột biến gen nên quá trình này đã thu hút sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhóm khoa học trên thế giới kể cả lý thuyết và thực nghiệm [15] Các nhà nghiên cứu cũng nh ận thấy rằng thời gian của quá trình tautomer hóa là vào cỡ femto giây Tuy nhiên, do những hạn chế về các phương pháp hiện tại đã nêu nên thông tin thu nhận được chỉ là những thông tin tĩnh Mong mu ốn thu nhận được thông tin động ở cấp thời gian femto giây và can thiệp vào quá trình tautomer hóa của các bazơ nitơ đã trở thành mục tiêu của các nhà nghiên cứu trên thế giới Và đây cũng chính là mục tiêu của luận văn

của chúng tôi: làm thế để có thể theo dõi được quá trình tautomer hóa của các bazơ nitơ bằng nguồn

dữ liệu HHG thu được khi cho các bazơ nitơ tương tác với lade xung cực ngắn, cường độ mạnh Trong phạm vi của một luận văn tốt nghiệp chúng tôi chọn phân tử thymine có cấu trúc một mạch

vòng là đối tượng nghiên cứu

Để thực hiện mục tiêu này chúng tôi cần phải mô phỏng được HHG phát ra khi cho lade có xung cực ngắn 5 fs cường độ mạnh 2.1014

W/cm2 tương tác với phân tử Khi cho lade này tương tác

với phân tử, nguyên tử có rất nhiều hiệu ứng phi tuyến xảy ra tuy nhiên chúng tôi chỉ chú ý đến hiệu ứng phát xạ HHG HHG được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1988 bởi nhóm các nhà khoa học người Pháp M Ferray khi cho lade tương tác với khí trơ Việc xây dựng một cơ sở lý thuyết hoàn

chỉnh cho quá trình phát xạ HHG đã trở thành một đề tài nóng bỏng và có tính thời sự Thực chất bài toán của chúng ta ở đây chính là giải phương trì nh Schrodinger phụ thuộc vào thời gian khi electron chịu tác dụng của trường lade Bài toán này đã đư ợc giải chính xác cho phân tử đơn giản như H2, hay ion của nó H2

+

Tuy nhiên để có được cấu trúc phân tử thymine phục vụ cho việc mô phỏng HHG thì chúng tôi phải mô phỏng được cấu trúc của phân tử thymine Cấu trúc ở đây chính là các thông tin về khoảng cách nguyên tử, góc liên kết, thế ion hóa của phân tử, đặc biệt chính là của phân tử Để làm được điều này, chúng tôi sử dụng phương pháp lý thuy ết phiếm hàm mật độ DFT (Density

(phương pháp TDSE) Tuy nhiên không phải bao giờ chúng ta cũng có được nghiệm giải tích cho bài toán này Do đó cần có những mô hình Vật lý để đơn giản đi quá trình tính toán và tất nhiên những mô hình này vẫn giữ được bản chất Vật lý của hiện tượng Một trong những mô hình đư ợc cộng đồng khoa học chấp nhận rộng rãi đó là mô hình ba bước Lewenstein Đây là mô hình bán c ổ điển, tinh thần chủ yếu của mô hình này chính là dựa trên sự chuyển động của electron dưới tác dụng của điện trường của trường lade Theo mô hình này điện tử

sẽ bị ion hóa xuyên hầm và ra vùng tự do Sau đó điện tử sẽ được gia tốc dưới tác dụng của trường lade mạnh, khi trường lade đổi chiều điện tử quay trở lại kết hợp với ion mẹ và phát ra sóng thứ cấp chính là HHG Sự phát xạ xảy ra khi ion tái va chạm với ion mẹ do đó HHG phát ra mang nhiều thông tin cấu trúc phân tử Do nguồn dữ liệu HHG trên thực tế có rất ít do đó công việc chúng tôi

cần làm là phải mô phỏng được HHG này Phương pháp được sử dụng ở đây chính là mô hình ba bước Lewenstein cho quá trình phát xạ HHG và công cụ được sử dụng mô phỏng là ngôn ngữ lập trình FORTRAN Chương trình tính toán đư ợc xây dựng đầu tiên 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 tính toán này đã được kiểm chứng qua các công trình đăng trên c ác

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 kỹ thuật tínhtoán được sử dụng và xem như đây là một công cụ cho chúng tôi thực

hiện luận văn này

Functional Theory), có tính đến hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ hàm cơ sở 6-31G+(d,p) thông qua việc sử dụng phần mềm Gaussian 03W Bằng phương pháp này chúng tôi đã mô phỏng được ba

trạng thái của phân tử thymine: enol, trạng thái chuyển tiếp và keto Kết quả thu được hoàn toàn phù

hợp với thực nghiệm trong phạm vi sai số cho phép Khi có được các thông tin này, tiến hành thí nghiệm cho lade tương tác với phân tử chúng tôi 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 ba trạng thái cân bằng do hình dạng HOMO với ba trạng thái này là khá giống nhau Tuy nhiên điều chúng tôi quan tâm ở đây chính là quá trình tautomer hóa của thymine Để có được quá trình tautomer hóa này, sử dụng phương pháp động lực học với gần đúng Born – Oppenheimer, chúng tôi đã mô phỏng được quá trình tautomer hóa của thymine, khảo sát mặt thế năng cũng như đường phản ứng hóa học của thymine 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 tautomer hóa này Từ dữ liệu HHG thu được chúng tôi đã khẳng định được rằng có thể theo dõi quá trình tautomer hóa này

Bố cục của luận văn được chia làm 4 chương chính không kể phần mở đầu và phần kết luận

Trong chương 1: “Cơ sở lý thuyết về ADN” chúng tôi 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 về quá trình tautomer hóa là quá trình một tautomer của bazơ nitơ 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 bazơ nitơ trong ADN sẽ giúp cho chúng ta 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

Trong chương 2 “Tổng quan về lade và cơ chế phát xạ sóng hài” chúng tôi sẽ tập trung

trình bày về công cụ chính được sử dụng để khảo sát và thu nhận thông tin cấu trúc động của phân

tử Đó chính là cơ chế phát xạ sóng hài bậc cao HHG [12] Trong phần đầu của chương này, chúng

tôi 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 nh ập vào rất nhiều lĩnh vực trong cuộc

sống, do đó chúng tôi 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 cực ngắn Quá trình rút ngắn chiều dài xung lade sẽ được chúng tôi đề cập theo tiến trình thời gian Kể từ khi thiết bị lade đầu tiên được chế tạo, 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 (Femtochemistry) Những nỗ lực rút ngắn độ dài của xung lade vẫn tiếp diễn Trong

những năm gần đây, cuộc chạy đua rút ngắn độ dài của xung lade 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 ngành khoa học thang thời gian atto giây (“Attosecond Science”) Khoa

học thang thời gian atto giây đã mở ra những hướng đi mới đầy tiềm năng cho nhiều ngành khoa

học khác nhau, không chỉ là hóa học hay vật lý học Đó chính là một tia sáng hứa hẹn những thay đổi của con người trong sự hiểu biết về thế giới vật chất Chính sự phát triển của các lade xung cực

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 lade xung cực ngắn có cường độ mạnh Trong đó, có hiện tượng phát xạ HHG là công cụ chính trong luận văn này 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 trư ờng 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, chúng tôi sẽ trình bày về một hệ số quan trọng được phát triển bởi Viện sĩ Keldysh: 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 tiếp theo của chương 2 sẽ cung cấp cho người đọc những kiến thức cần thiết về cơ chế phát xạ HHG 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 lý 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 Cùng với 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, chịu tác dụng của trường lade và chuyển động ngược trở lại Vì vậy, các nhà nghiên cứu đã cho 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 thymine Trong phần này, chúng tôi 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 hiện nay, có thể nói

rằng đây chính là một mô hình “đ ẹp” trong việc giải thích cơ chế cũng như những đặc tính của sự phát xạ HHG

Trong chương 3 “Mô hình tính toán và mô hình thí nghiệm” chúng tôi giới thiệu đến người

đọc đôi nét khái niệm về một mô hình tính toán, và chương trình AT -code thiết lập trên ngôn ngữ FORTRAN được sử dụng trong luận văn Không những vậy trong chương 3 chúng tôi cũng trình bày mô hình thí nghiệm để thực hiện được quá trình tính toán HHG đ ể định hướng cho quá trình

thực nghiệm về sau

Trong chương 4 “ Kết quả” chúng tôi trình bày về các kết quả tính toán được, đồng thời rút

ra nhận xét đối với từng kết quả nhận được Trong phần đầu của chương chúng tôi dùng Gaussian

mô phỏng hai đồng phân và cấu trúc chuyển tiếp của phân tử thymine Với mô hình tính toán đư ợc

sử dụng là phương pháp phiếm hàm mật độ DFT hiệu chỉnh Gradient B3LYP và hệ hàm cơ sở 31G+(d,p), chúng tôi đã mô phỏng cấu trúc tối ưu của phân tử sau đó so sánh với số liệu thực nghiệm [30] Kết quả tính toán của chúng tôi có độ tin cậy cao (sai số tỉ đối <3%) do đó có thể sử

6-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, chúng tôi đã mô phỏng thành công HOMO của phân tử thymine Sử

dụng chương trình AT-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 thymine tương tác

với lade xung cực ngắn Chúng tôi tiến hành phân tích số liệu HHG bằng đồ thị để nhận xét về sự khác biệt giữa ba trạng thái cân bằng của phân tử Tiếp theo chúng tôi mô phỏng quá trình đ ồng phân hóa của thymine chuyển từ trạng thái enol sang keto Để thực hiện được mục tiêu chúng tôi

cần khảo sát mặt thế năng của phân tử thymine cũng như phải mô phỏng được đường phản ứng hóa

học trong quá trình chuyển đồng phân này Chúng tôi cũng tính được năng lượng tương quan của quá trình tautomer hóa của thymine là 0.62eV Sau đó chúng tôi thực hiện tính toán cường độ HHG phát ra khi chiếu lade vào cả quá trình đồng phân hóa phân tử thymine Khảo sát sự phụ thuộc của cường độ HHG vào góc định phương và góc cấu trúc bằng đồ thị, chúng tôi nhận thấy có thể theo dõi được quá trình tautomer hóa của thymine

Chương 1 Cơ sở lý thuyết về ADN

Trong chương này chúng tôi sẽ trình bày một cách tổng quan cơ sở lý thuyết về ADN, về thành phần cấu trúc, các chức năng, quá trình t ự nhân đôi để duy trì vật chất di truyền cho thế hệ sau Đặc biệt điều chúng tôi quan tâm nhất đó chính là quá trình đ ột biến mà cụ thể ở đây chính là quá trình đột biến có nguyên nhân do các bazơ nitơ tồn tại ở tautomer kém bền dẫn đến sự bắt cặp sai và gây nên quá trình đột biến

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

1.1.1 Thành ph ần

ADN là đại phân tử mà các đơn phân là deoxyribonucleotide Mỗi đơn phân gồm ba thành

phần cơ bản: bazơ nitơ; đường pentose và nhóm phosphate Các đơn phân này chỉ khác nhau về loại bazơ nitơ, còn giống nhau về cấu trúc đường pentose và nhóm phosphate

 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 và deoxyribose Các nguyên tử carbon của pentose được quy ước đánh số có dấu phẩy để tránh nhầm lẫn với các số trong bazơ nitơ

 Acid Phosphoric: là một tri acid, hai trong số ba chức acid được este hóa trong phân tử ADN

và ARN

Hình 1.1: Các thành phần của ADN

Hình 1.2: Các bazơ nitơ của ADN

Mỗi loại bazơ nitơ có 2 tautomer: 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 1.3: Các bazơ nitơ và các tautomer tương ứng

ADN 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 phosphodieste

 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 phosphat 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)

 Chuỗi polynucleotide là chuỗi 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 của phân tử axit nucleic 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

Hình 1.4: Chuỗi polynucleotide của ADN Tóm lại thành phần và cấu tạo của ADN được biễu diễn bằng sơ đồ sau:

Hình 1.5: Sơ đồ thành phần và cấu tạo của ADN

1.1.2 C ấu trúc

Năm 1953, James Waston (nhà Sinh vật học người Mỹ) và Francis Crick (nhà Vật lý ngư ời 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

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 sợ kia theo quy luật bổ sung nghiêm ngặt: A liên

kết với T bằng hai liên kết hidro, G liên kết với C bằng ba liên kết hidro 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

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 hydro1

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

1 Liên kết hydro các tính định hướng và trở nên mạnh nhất khi nguyên tử hydro cho liên kết ở vị trí đối diện trực tiếp với nguyên tử nhận liên kết hydro Nếu góc liên kết vượt quá 30 độ thì lực liên kết sẽ yếu đi nhiều

Hình 1.7: Cấu trúc song song ngược chiều hay đối song song của ADN

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

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 t ự 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 gần như giống nhau hoàn toàn (chỉ sai khác với tần số rất thấp, thông thường dưới một phần vạn) một mạch cũ có nguồn gốc từ phân tử ADN gốc (gọi là mạch khuôn) và một mạch được tổng hợp mới 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 sẽ 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 đ ột 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 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

 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 (-NH

… sang các bazơ nitơ của ADN

2

 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

) 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 hypoxanthine có

xu hướng liên kết với cytosine, còn cytosine thì chuyển thành uracil (một bazơ nitơ thuộc

dạng purine nhưng bình thư ờng chỉ có mặt trong phân từ ARN) sẽ liên kết với adenine thay

vì với guanine Guanine thì chuyển thành xanthine nhưng xanthine thì v ẫn liên kết với cytosine (nên loại nhóm amin của guanine không gây đột biến)

 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

1.4.2 Đột biến do lỗi sao chép ADN

Như phần trước đã trình bày , trong phân tử ADN, các bazơ nitơ tồn tại dưới hai dạng tautomer (bền và kém bền) Thông thường các bazơ nitơ sẽ tồn tại ở dạng tautomer tự nhiên bền (keto đối với pyrimidine và amino đối với purine) Tuy nhiên dưới một số điều kiện nào đó, các bazơ nitơ vẫn có khả năng chuyển sang dạng tautomer kém bền hơn Quá trình đó được gọi là sự hỗ

biến hóa học (tautomerism)

Hình 1.9: Các dạng hỗ biến của các bazơ nitơ trong ADN

(A) Các dạng amino có thể biến đổi thành các dạng imino

(B) Các dạng keto có thể sắp xếp lại thành các dạng enol

Các mũi tên biểu thị sự dịch chuyển vị trí nguyên tử hidro

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

tautomer kém bền a) Sự bắt cặp đúng b) Sự bắt cặp sai

Ngoài ra còn có đ ột biến dịch khung, nghĩa là m ột số cặp bazơ nitơ được thêm vào hay mất

đi không phải là bội số của ba và nằm trong khung đọc của gen làm thay đổi khung đọc của tất cả các bộ ba mã hóa còn lại trong gen nằm xuôi dòng kể từ vị trí đột biến Và các dạng này đều là do đột biến tự phát Một điều đáng ngạc nhiên là, đa số các đột biến tự phát đã đư ợc nghiên cứu đều thuộc dạng đột biến thêm hoặc mất một cặp nucleotide chứ không phải là các đột biến thay thế nucleotide

Như vậy trong thời gian tồn tại ở dạng hiếm gặp nếu như các bazơ nitơ này được huy động vào quá trình tổng hợp ADN thì đột biến sẽ xảy ra, do đó theo dõi được quá trình này là một vấn đề

có tính thực tiễn cao Để thực hiện mục tiêu này cơ chế phát xạ HHG được sử dụng, do đó hiểu được chơ chế phát xạ HHG là một điều hết sức cần thiết

Chương 2 Tổng quan về lade và cơ chế phát xạ sóng hài

Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày một cách khái quát cụ thể quá trình hình thành và phát triển của lade cũng như các tính chất nguyên lý hoạt động của nó Tiếp theo đó, chúng tôi trình bày về lý thuyết phát xạ HHG: các công thức, các hằng số đặc biệt là giải thích về mô hình ba bước bán cổ điển Lewenstein được sử dụng cho quá trình tính toán phổ HHG

2.1 Lý thuy ết 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 đ ề 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 chỉ 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 thu ật 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 ho ạt động của lade

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

tử để chúng phát ra ánh sáng theo một cách thức rất đặc biệt

Một lade gồm có ba bộ phận chính:

 Môi trường hoạt tính: là một khối chất khí, lỏng hoặc một thỏi chất rắn (gọi chung là hoạt

chất) Nó là chất liệu để tạo ra ánh sáng lade

 Nguồn năng lượng phát xạ mạnh: còn gọi là nguồn bơm – thường là một đèn ống quấn quanh

hoạt chất để “bơm” năng lượng vào hoạt chất, nhằm tạo ra một môi trường nghịch đảo nồng

độ

 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

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 ch ế độ hoạt động của lade

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

 Chế độ phát liên tục: trong chế độ phát liên tục, công suất của một lade tương đối không đổi

so với thời gian Sự đảo nghịch mật độ cần thiết cho hoạt động lade được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn

 Chế độ phát xung: trong chế độ phát xung, công suất lade luôn thay đổi so với thời gian, với

đặc trưng là các giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể 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 S ự phát triển của lade xung siêu ngắn

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, Zewail et al [13] đã tạo ra xung lade 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 Thành công trong việc xây dựng xung lade femto giây đã mở ra một lĩnh vực mới gọi là hóa học thang thời gian femto giây (Femtochemistry) Ngưỡng xung lade femto giây tưởng chừng như là một bức tường vững chắc trong cuộc chạy đua

“xung siêu ngắn”, song trong vài năm trở lại đây, 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 vòng hai thập niên 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 Năm 2006, nhóm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm quốc gia Ý đã ch ế 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, một

lĩnh vực mới đã ra đời có tên gọi là hhoa học thang thời gian atto giây (Attosecond science) Attosecond science đã làm bùng nổ Vật lý và H óa 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 tạp chí khoa

học tên tuổi trên thế giới đã nêu sự phát triển của xung atto giây là một trong mười 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 chúng tôi 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 man g 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) (Corkum et al., 1989)

 Sự phát xạ HHG [12]

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 Gi ới 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 (kho ảng 103

V/cm) so với cường độ điện trường trong phân tử, nguyên

tử (khoảng 107 V/cm đến 109

P

V/cm) Khi bức xạ truyền qua một môi trường vật chất, thì vectơ phân

cực điện là một hàm tuyến tính theo vectơ 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

2.2.2 Tương tác giữa trường lade và nguyên tử

2.2.2.1 Trường hợp 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