Đột phá laser tại Đại Liên: Bước tiến của Trung Quốc trong lĩnh vực laser electron tự do tử ngoại cực độ

Nguồn sáng tiên tiến Đại Liên của Trung Quốc đạt cột mốc quan trọng về laser

Trong một thành tựu mang tính bước ngoặt đối với khoa học và công nghệ toàn cầu, các nhà nghiên cứu Trung Quốc lần đầu tiên vận hành thành công chùm electron với tần số lặp một megahertz tại Đại Liên, tỉnh Liêu Ninh. Đột phá này đánh dấu bước tiến quan trọng của dự án Nguồn sáng tiên tiến Đại Liên (DALS), cơ sở laser electron tự do (FEL) tử ngoại cực độ (EUV) thế hệ mới. Thành tựu này không chỉ củng cố vị thế dẫn đầu của Trung Quốc trong phát triển các nguồn sáng tiên tiến mà còn mở ra những hướng nghiên cứu mới trong vật lý, hóa học, sinh học và khoa học vật liệu.

Nguồn sáng tiên tiến Đại Liên là gì và vì sao quan trọng?

Nguồn sáng tiên tiến Đại Liên được định hướng là một cơ sở khoa học hiện đại, có khả năng tạo ra các chùm ánh sáng EUV cực sáng và kết hợp bằng công nghệ laser electron tự do. Khác với laser thông thường, FEL sử dụng các chùm electron tốc độ cao đi qua những cấu trúc từ tính (gọi là bộ uốn lượn) để tạo ra ánh sáng ở những bước sóng mà các phương pháp truyền thống không thể đạt tới. Nhờ đó, FEL đặc biệt phù hợp để khảo sát thế giới vi mô ở quy mô nguyên tử và phân tử, với ứng dụng từ vật lý cơ bản đến sản xuất tiên tiến và khoa học sự sống.

Dự án DALS do viện sĩ Yang Xueming và nhà nghiên cứu Zhang Weiqing thuộc Viện Vật lý Hóa học Đại Liên (DICP), Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc, dẫn dắt. Thành công gần đây của nhóm trong việc tạo ra các chùm electron ổn định với tần số lặp cao giải quyết một trong những thách thức kỹ thuật lớn nhất trong xây dựng FEL. Là cơ sở FEL phục vụ người dùng đầu tiên tại Trung Quốc, đồng thời là cơ sở duy nhất trên thế giới chỉ hoạt động trong vùng EUV, DALS được kỳ vọng sẽ trở thành nền tảng cho các khám phá khoa học và đổi mới công nghệ.

Tìm hiểu về laser electron tự do

Laser electron tự do thường được gọi là nguồn sáng tiên tiến “thế hệ thứ tư”. Khác với laser truyền thống dựa vào các vật liệu cụ thể để tạo ra ánh sáng, FEL sử dụng các dòng electron được gia tốc đến tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng. Khi đi qua các bộ uốn lượn, những electron này phát ra ánh sáng có thể điều chỉnh trên dải bước sóng rộng, từ hồng ngoại đến tia X. Tính linh hoạt này, kết hợp với khả năng tạo ra các xung cực ngắn và độ sáng cực cao, cho phép FEL ghi lại những quá trình siêu nhanh và phân giải cấu trúc ở cấp độ nguyên tử.

Nguồn sáng kết hợp Đại Liên (DCLS), tiền thân của DALS, đã cho thấy sức mạnh của FEL khi tạo ra các chùm ánh sáng trong dải 50-150 nm với thời lượng xung ngắn tới 100 femto giây (một phần triệu tỷ giây). Những khả năng này giúp các nhà khoa học quan sát động lực học electron, sự tiến hóa của phân tử và quá trình chuyển pha của vật liệu trong thời gian thực.

Đột phá này đạt được như thế nào?

Cột mốc mới đây tại Đại Liên là kết quả của nhiều năm hợp tác và đổi mới công nghệ. Kể từ khi dự án khởi động năm 2020, DICP và Viện Cơ sở Nguồn sáng Tiên tiến tại Thâm Quyến đã phối hợp phát triển một loạt công nghệ cốt lõi cần thiết để vận hành FEL. Những công nghệ này gồm:

• Súng electron catốt quang có khả năng tạo ra chùm electron chất lượng cao
• Hệ thống laser siêu nhanh để định thời và điều khiển chính xác
• Nguồn công suất tần số vô tuyến bán dẫn để gia tốc ổn định
• Các mô-đun máy gia tốc siêu dẫn cho phép vận hành sóng liên tục
• Hệ thống làm lạnh helium sâu để duy trì trạng thái siêu dẫn

Việc tạo ra các chùm electron với tần số lặp một megahertz (một triệu chu kỳ mỗi giây) đặc biệt khó khăn do đòi hỏi vừa ổn định vừa bảo đảm chất lượng. Thành tựu này cho thấy nhóm nghiên cứu Đại Liên đã làm chủ các công nghệ nền tảng cần thiết cho FEL thế hệ mới.

Theo nhóm nghiên cứu, thành công này “đặt nền móng vững chắc cho quá trình xây dựng dự án trong tương lai” và là bước tiến đáng kể trong nỗ lực rộng lớn hơn của Trung Quốc nhằm phát triển các cơ sở FEL tiên tiến.

Tác động khoa học và công nghệ: Vì sao FEL tạo ra bước ngoặt?

Các laser electron tự do như DALS đang cách mạng hóa nghiên cứu khoa học bằng cách cung cấp những công cụ trước đây khó có thể hình dung. Khả năng tạo ra ánh sáng kết hợp, điều chỉnh được và siêu sáng trong vùng EUV và tia X giúp các nhà khoa học:

• Khảo sát cấu trúc và động lực học của phân tử, vật liệu với độ phân giải nguyên tử
• Nghiên cứu các phản ứng hóa học siêu nhanh và quá trình sinh học trong thời gian thực
• Phát triển kỹ thuật tạo ảnh tiên tiến phục vụ y học và khoa học vật liệu
• Hỗ trợ sản xuất bán dẫn thế hệ mới bằng công nghệ quang khắc EUV

Chẳng hạn, Nguồn sáng kết hợp Đại Liên đã hỗ trợ các thí nghiệm về quang hóa phân tử, khối phổ aerosol và khối phổ sinh học. Bằng cách đưa các chùm laser EUV vào phép đo khối phổ phân giải cao, các nhà nghiên cứu có thể phân tách hiệu quả các phân tử sinh học phức tạp và thu được thông tin cấu trúc chi tiết, thúc đẩy các lĩnh vực như proteomics và phát triển thuốc.

Tầm nhìn chiến lược của Trung Quốc về công nghệ FEL

Trung Quốc xác định công nghệ FEL là ưu tiên chiến lược trong phát triển khoa học và công nghệ. Theo các chiến lược phát triển quốc gia, nước này đặt mục tiêu tạo đột phá trong FEL sóng dài, FEL tia X và các nguồn sáng quang khắc EUV dựa trên FEL vào năm 2035. Những nỗ lực này được hỗ trợ bằng việc tăng đầu tư cho nghiên cứu cơ bản, thúc đẩy hợp tác đa bên và chú trọng đổi mới độc lập.

Đặc biệt, Viện Vật lý Hóa học Đại Liên có bề dày nghiên cứu tiên phong về xúc tác, kỹ thuật hóa học và công nghệ laser. Vai trò dẫn dắt của viện trong dự án DALS phản ánh cam kết của Trung Quốc trong xây dựng hạ tầng khoa học đẳng cấp thế giới và bồi dưỡng thế hệ nhân tài khoa học mới.

So sánh DALS với các cơ sở nguồn sáng trên thế giới

Trên toàn cầu, một số cơ sở nguồn sáng tiên tiến đã làm thay đổi hoạt động nghiên cứu trong sinh học cấu trúc, khoa học vật liệu và hóa học. Những ví dụ đáng chú ý gồm Nguồn sáng Thụy Sĩ và SwissFEL tại Thụy Sĩ, hỗ trợ các nghiên cứu thông lượng cao, độ phân giải cao về đại phân tử. Tuy nhiên, dự án DALS có vị thế độc đáo khi là cơ sở FEL EUV vận hành sóng liên tục với tần số lặp cao, cung cấp những năng lực bổ trợ và mở rộng khả năng của các nguồn synchrotron và FEL hiện có.

Phần lớn cơ sở FEL trên thế giới hoạt động trong vùng tia X hoặc tia X mềm, trong khi DALS được thiết kế để tạo ra ánh sáng EUV kết hợp với độ phân giải thời gian và không gian vượt trội. Điều này khiến cơ sở đặc biệt có giá trị trong nghiên cứu các quá trình liên quan đến electron hóa trị và các ứng dụng trong sản xuất tiên tiến, chẳng hạn như quang khắc EUV để chế tạo bán dẫn.

Ý nghĩa rộng lớn hơn đối với khoa học, công nghiệp và xã hội

Việc phát triển thành công DALS có ý nghĩa sâu rộng vượt ra ngoài nghiên cứu cơ bản. Trong lĩnh vực năng lượng sạch và công nghệ môi trường, Viện Vật lý Hóa học Đại Liên đã thể hiện vai trò tiên phong thông qua những đổi mới trong xúc tác, kỹ thuật hóa học và lưu trữ năng lượng. Các năng lực tiên tiến của DALS sẽ tiếp tục thúc đẩy nghiên cứu trong những lĩnh vực này, giúp thiết kế các chất xúc tác hiệu quả hơn, khảo sát các quá trình chuyển đổi năng lượng và phát triển vật liệu mới cho công nghệ bền vững.

Trong công nghiệp, các nguồn sáng EUV dựa trên FEL đóng vai trò thiết yếu đối với thế hệ sản xuất bán dẫn tiếp theo. Khi các nhà sản xuất chip tiếp tục đẩy xa giới hạn thu nhỏ, quang khắc EUV đã trở thành công nghệ then chốt để sản xuất mạch tích hợp nhỏ hơn, nhanh hơn và tiết kiệm năng lượng hơn. Bằng cách làm chủ các công nghệ cốt lõi của FEL, Trung Quốc đang định vị mình là một trong những nước dẫn đầu chuỗi cung ứng bán dẫn toàn cầu.

Đào tạo thế hệ nhà khoa học và kỹ sư tiếp theo

Các cơ sở khoa học quy mô lớn như DALS cũng là nơi đào tạo các nhà khoa học và kỹ sư trẻ. Tham gia nghiên cứu và phát triển công nghệ tiên tiến giúp sinh viên và nhà nghiên cứu đầu sự nghiệp tích lũy kinh nghiệm quý báu, chuẩn bị cho họ đảm nhiệm vai trò lãnh đạo trong giới học thuật, công nghiệp và chính phủ. Nguồn nhân lực kế cận này rất cần thiết để duy trì đổi mới và bảo đảm Trung Quốc tiếp tục đi đầu trong các khám phá khoa học.

Thách thức và chặng đường phía trước

Dù đã đạt đột phá gần đây, việc xây dựng và vận hành Nguồn sáng tiên tiến Đại Liên vẫn còn nhiều thách thức đáng kể. Duy trì các chùm electron ổn định, chất lượng cao ở tần số lặp megahertz đòi hỏi những tiến bộ liên tục trong công nghệ máy gia tốc, kỹ thuật lạnh sâu và hệ thống điều khiển. Bên cạnh đó, việc kết nối cơ sở với cộng đồng khoa học rộng lớn hơn và bảo đảm quyền tiếp cận mở cho các nhà nghiên cứu sẽ là yếu tố then chốt để tối đa hóa tác động của dự án.

Chiến lược quốc gia của Trung Quốc về công nghệ FEL nhấn mạnh tầm quan trọng của đầu tư bền vững, hợp tác liên viện và chuyển hóa thành tựu khoa học thành ứng dụng thực tiễn. Khi DALS chuyển từ nguyên mẫu sang vận hành toàn diện, cơ sở này sẽ trở thành hình mẫu cho các dự án khoa học quy mô lớn trong tương lai tại Trung Quốc và trên thế giới.

Tóm tắt

• Các nhà khoa học Trung Quốc tại Đại Liên lần đầu tiên trên thế giới vận hành ổn định chùm electron với tần số lặp một megahertz, cột mốc then chốt của dự án Nguồn sáng tiên tiến Đại Liên (DALS).
• DALS là cơ sở laser electron tự do tử ngoại cực độ thế hệ mới, được thiết kế để cung cấp ánh sáng kết hợp siêu sáng phục vụ nghiên cứu tiên tiến trong vật lý, hóa học, sinh học và khoa học vật liệu.
• Đột phá đạt được nhờ những tiến bộ về súng electron catốt quang, laser siêu nhanh, máy gia tốc siêu dẫn và hệ thống lạnh sâu, thông qua hợp tác giữa Viện Vật lý Hóa học Đại Liên và các đối tác tại Thâm Quyến.
• Các laser electron tự do như DALS đang cách mạng hóa nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghiệp, trong đó có sản xuất bán dẫn và công nghệ năng lượng sạch.
• Trọng tâm chiến lược của Trung Quốc về công nghệ FEL nhằm củng cố vị thế dẫn đầu trong lĩnh vực nguồn sáng tiên tiến, thúc đẩy đổi mới và đào tạo thế hệ nhân tài khoa học tiếp theo.