Camera với tốc độ màn trập một phần nghìn tỷ giây

Để chụp các đối tượng chuyển động nhanh như nguyên tử cần một camera với tốc độ màn trập cực nhanh. Ảnh:  Science Alert.

Các máy ảnh kỹ thuật số tốt nhất trên thị trường hiện nay thường có tốc độ màn trập trong khoảng 1/4.000 giây. Trong khi đó, để chụp được chuyển động của nguyên tử, chúng ta cần một màn trập có tốc độ nhanh hơn rất nhiều.

Các nhà khoa học từ Đại học Columbia ở New York đã phát minh ra một loại camera với tốc độ màn trập chỉ bằng một phần nghìn tỷ giây, nhanh hơn 250 triệu lần so với máy ảnh kỹ thuật số thông thường. Tốc độ này cho phép chúng ta nắm bắt được một yếu tố rất quan trọng trong khoa học vật liệu, đó là hiện tượng “hỗn loạn động” (dynamic disorder).

Nói một cách đơn giản, “hỗn loạn động” là hiện tượng các cụm nguyên tử chuyển động bên trong vật liệu trong một khoảng thời gian nhất định, ví dụ như khi bị kích thích bởi sự rung động hoặc thay đổi nhiệt độ. Hiện tượng này rất quan trọng đối với các tính chất và phản ứng của vật liệu.

Công nghệ tốc độ màn trập cực cao mới, được gọi tắt là vsPDF, giúp chúng ta có cái nhìn sâu sắc hơn về hiện tượng “hỗn loạn động”.

Trên thực tế, khi sử dụng máy ảnh có tốc độ màn trập thấp để chụp các chuyển động nhanh, hình chụp ra thường bị nhòe. Máy ảnh với tốc độ màn trập cao sẽ ghi lại chuyển động với thời gian chính xác hơn, giúp hình ảnh rõ nét hơn đáng kể. Điều này rất hữu ích đối với những đối tượng chuyển động nhanh như nguyên tử.

“Nhờ có vsPDF, chúng ta mới có thể xem nguyên tử nào đang chuyển động và nguyên tử nào đang đứng yên", Simon Billinge - nhà khoa học vật liệu từ Đại học Columbia (New York) cho biết.

VsPDF dựa vào vị trí của neutron để định vị các nguyên tử, thay vì các kỹ thuật chụp ảnh thông thường. Cụ thể, công nghệ này giúp theo dõi cách thức mà các neutron va chạm và đi qua một vật liệu để định vị các nguyên tử xung quanh. Neutron chuyển động càng nhanh, đòi hỏi tốc độ màn trập càng lớn.

Những thay đổi về tốc độ màn trập có ý nghĩa rất quan trọng trong việc chọn ra hỗn loạn động từ các hỗn loạn tĩnh. Hỗn loạn tĩnh là sự chuyển động tại chỗ của các nguyên tử, hiện tượng này không góp phần cải thiện chức năng của vật liệu.

Để đạt được tốc độ đáng kinh ngạc là một phần nghìn tỷ giây, các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm máy ảnh neutron trên vật liệu có tên Germanium Telluride (GeTe). Máy ảnh cho thấy GeTe duy trì cấu trúc tinh thể ở mọi nhiệt độ. Nhưng ở nhiệt độ cao hơn, vật liệu này thể hiện sự hỗn loạn động mạnh hơn.

Hình minh họa cho thấy cấu trúc nguyên tử của GeTE ở tốc độ màn trập chậm hơn (trái) và nhanh hơn (phải). Ảnh: Science Alert

Hiểu rõ hơn về các cấu trúc vật lý này sẽ nâng cao kiến thức về cách thức hoạt động của nhiệt điện, cho phép chúng ta phát triển các vật liệu và thiết bị tốt hơn. Tuy nhiên, vẫn cần phải thử nghiệm và nghiên cứu thêm trước khi đưa công nghệ vsPDF vào sử dụng rộng rãi.

Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí Nature Materials.