Theo dõi quá trình động học phân tử Thymine bằng lade xung cực ngắn

này tôi xin gửi tới lời cảm ơn chân thành nhất đến tất cả mọi người. Tôi xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn PGS.TSKH. Lê Văn Hoàng đã tận tình hướng dẫn, động viên và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi thực hiện luận văn này. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Ngọc Ty đã tận tình hướng dẫn tôi trong việc làm quen và sử dụng các phần mềm mô phỏng cũng như động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn này. Tôi xin cảm ơn gia đình đã tạo mọi điều kiện, động viên giúp tôi vững tâm học tập trong những năm học đại học cũng như trong thời gian tôi làm luận văn. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong Khoa Vật lý-Trường ĐHSP. TP.HCM đã tận tình giảng dạy 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 gửi 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.Hồ Chí Minh, ngày 29-4-2010 Hoàng Văn Hưng MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................... 5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ........... Error! Bookmark not defined. LỜI MỞ ĐẦU ................................................................................................ 6 Chương 1 Cơ 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 Chương 2 Tổng 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 Chương 3 Mô hình tính toán và mô hình thí nghiệm ............................. 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 Chương 4 Kết 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 KẾT LUẬN ................................................................................................. 49 HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................................. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................... 51 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ADN: Axit Deoxyribonucleic AS: Attosecond(10-18 DFT: Phương pháp phiếm hàm mật độ (Density Functional Theory) s) FS: Femtosecond (10-15 HHG: Sóng hài bậc cao (High – order Harmonic Generation) s) HOMO: Orbital ngoài cùng của phân tử (Highest Occupied Moleculer Orbital) IRC: (Intrinsic Reaction Coordinate) 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) LỜI 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 b ị 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 cỡ femto giây (1 fs = 10-15s), còn đi ện tử chuyển động quanh hạt nhân còn ở thang thời gian thấp hơn nữa: mức atto giây (1 as = 10-18s). Trong khi đó độ phân giải của các phương pháp trên chỉ vào cỡ pico giây (1 ps = 10-12 Năm 1960 lần đầu tiên con người đã “chinh phục được ánh sáng” bằng cách chế tạo ra nguồn lade đầu tiên (vài trăm micro giây) và kéo theo đó là cuộc chạy đua trong khoa học kỹ thuật để có thể có được những xung lade có xung ngày càng ngắn hơn. Năm 1961 chúng ta đã có xung 10 ns, năm 1966 là 100 ps. Cuộc chạy đua để rút ngắn xung lade ngày càng diễn ra quyết liệt hơn. Và đến năm 2001, xung 1 fs đã đư ợc chế tạo báo hiệu cho một sự phát triển trong ngành khoa học thang 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 (~1014W/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 trình động học phân tử thymine bằng lade siêu ngắn”. 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 2.1014W/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 đi ện 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 tính toán 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 6- 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 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. 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 vào năm 1869 – là cơ sở vật chất di truyền ở cấp độ phân tử. 1.1.1 Thành phần 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 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. 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. 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.Vậ._.t 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 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 một 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 được 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 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 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 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 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. 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 xạ 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. 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 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 Sự 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 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) (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 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 (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 P 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 và vectơ điện trường E . 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 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 cường độ điện trường lade ( 2aE ) 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 lý 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 củ a 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 hợp 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 lý 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). Hình 2.6: Hiện tượng ion hóa xuyên hầm Trong vùng này, ta xét sự phân cực phi tuyến gây ra bởi sự ion hóa trường quang học chỉ xuất hiện khi electron vẫn còn liên kết với ion mẹ của nó. Một khi electron đã được giải phóng tự do thì chuyển động của nó tuân theo các định luật của cơ học Newton. Trong phép xấp xỉ trường mạnh SFA (Strong Field Approximation), ta xem như tác dụng từ trường của lade và tác dụng của ion mẹ xem như không đáng kể và có thể bỏ qua. Dưới tác dụng của trường lade, thế năng của electron ngoài cùng tại thời điểm t sẽ có dạng: ( ) ( )0 ( ).V r V r eE t r= +   Với V0 Trong phép gần đúng chuẩn tĩnh thì sự thay đổi của điện trường là đủ chậm để cho electron có đủ thời gian để xuyên hầm (hoặc vượt rào) ra vùng liên tục trước khi điện trường lade đổi dấu. Electron sau khi thoát ra khỏi trạng thái của nó trong nguyên t ử ra vùng liên tục của trường lade thì được tăng tốc mạnh bởi trường lade. Như đã đề cập, chuyển động của electron lúc này tuân theo các định luật cổ điển. Khi trường điện của xung lade đổi hướng thì electron cũng sẽ đổi chiều chuyển động và dao động trong trường lade. là thế năng của liên kết của electron, r là tọa độ của electron. Ta giả sử electron bắt đầu đi vào miền liên tục với vận tốc đầu bằng 0 tại thời điểm t 0 và trường lade phân cực tuyến tính dọc theo trục z với độ mạnh của trường điện là E(t)=E0 .. 0eE( ) eE sinm z t tω= − = − sinωt, lúc này, ta có thể giải ngay phương trình Newton cho electron chuyển động trong trường lade: Nghiệm của phương trình có dạng: 0 0 0( ) sin( ) sin( ) ( ) cos( )z t t t t t tα ω α ω αω ω= − − − Với 20ω α m eE = là biên độ dao động của electron trong trường lade. Vận tốc tương ứng của electron theo hướng phân cực là: 0( ) ( ) cos( ) cos( )z t v t t tαω ω αω ω • = = − Khi đi vào miền liên tục electron có một vận tốc trôi là ( )0Dv cos tαω ω= − với biên độ ( )0 /eE mαω ω= . Từ đây chúng ta thấy rằng giá trị và hướng của vận tốc trôi phụ thuộc vào thời điểm xảy ra sự ion hóa (t0 Động năng của electron thu được khi dao động trong trường lade: ). Như vậy, nếu lade có độ dài xung lớn thì sự dao động sẽ tắt đi khi vận tốc của electron tại thời điểm nào đó triệt tiêu với vận tốc trôi của nó. 2 2 2 2 2 0 0 1 1 [cos ( ) 2cos( )cos( ) cos ( )] 2 2d E mv m t t t tα ω ω ω ω ω= = − + Từ đây, ta tính được động năng trung bình electron nhận được trong một chu kì dao động được gọi là thế trọng động: 2 2 0 2 4 ωm EeU p = . Nếu electron bắt đầu từ một pha thích hợp với trường lade, thì quỹ đạo của nó có thể quay ngược về hạt nhân và xảy ra sự tái kết hợp giữa electron và ion mẹ, gây ra một hiện tượng đặc biệt đang được các nhà nghiên cứu quan tâm đó chính là sự phát xạ HHG. 2.2.3 Tương tác của nguyên tử với một xung lade Như ta đã biết, trong một xung lade được phát ra, cường độ điện trường của ánh sáng này không ổn định mà biến thiên theo thời gian: E (t)= E0(t)sinωt, trong đó E0(t) là biên độ cường độ điện trường của trường lade, cũng biến thiên theo thời gian, E 0(t)=E0sinω0t, với E 0 là cường độ đỉnh của xung lade. Hình 2.7: Cường độ điện trường biến thiên trong một xung lade Cường độ điện trường của trường lade biến thên trong một xung độ dài τp. Khi xung lade được chiếu đến nguyên tử, phân tử thì cường độ của trường lade sẽ tăng từ 0 đến cực đại. Do đó sự tương tác phi tuyến sẽ diễn ra ở vùng nhiễu loạn và có thể chuyển sang vùng trường mạnh ở cường độ lớn hơn. Như vậy với những xung lade có τp lớn, xung chứa nhiều chu kì, sự tương tác xảy ra trong vùng nhiễu loạn chiếm tỉ lệ lớn , do khó có thể chế tạo và duy trì được một xung dài có cường độ đủ lớn để có xác suất lớn gây ra sự ion hóa xuyên hầm hay vượt rào. Còn với xung lade ngắn, có τp Từ đó, ta có thể thấy vai trò của xung lade siêu ngắn trong quá trình nghiên cứu về tương tác lade – vật chất là rất quan trọng. Trong luận văn này, chúng tôi sẽ sử dụng xung lade 5 fs để khảo sát sự tương tác giữa lade và bazơ nitơ thymine của phân tử ADN. Trong sự tương tác này, hiện tượng ion hóa xuyên hầm xảy ra, electron thoát khỏi phân tử, và chuyển động trong miền liên tục trong trường lade. nhỏ, chứa vài chu kì, cường độ trường lade được tạo ra sẽ lớn hơn và khi đó sự tương tác trong vùng nhiễu loạn sẽ không đáng kể và sự tương tác trong vùng trường mạnh là chiếm ưu thế. 2.2.4 Hệ số Keldysh Thực chất trong hai vùng của quang học phi tuyến, vùng nhiễu loạn và vùng trường mạnh, hiện tượng ion hóa luôn có thể xảy ra, để đặc trưng từng trường hợp, một hệ số đã được đặt ra bởi Keldysh, và sau này được gọi là hệ số Keldysh, xác định như sau: 0 2 2 eE mI U I p p p ωγ == Trong đó: Ip ω là tần số của xung lade là thế ion hóa của điện tử trong nguyên tử E0 U là cường độ đỉnh của xung lade p Dễ dàng nhận thấy, hệ số Keldysh phụ thuộc vào tần số, cường độ của xung lade sử dụng và phụ thuộc vào đặc điểm của phân tử, nguyên tử (thể hiện qua thế ion hóa I là thế trọng động của electron p Trong trường hợp của nguyên tử hidro và trong hệ SI, I ). p = 13.6 eV, với lade có bước sóng 800 nm và cường độ là 1014 W/cm2  Với γ >>1, trường ngoài chỉ gây ra sự nhiễu loạn nhỏ, thế năng hiệu dụng của electron gần giống với thế năng Coulomb khi không bị nhiễu loạn và một electron chỉ có thể được giải phóng bằng cách hấp thụ một cách tự phát N photon. thì γ≈1.  Với γ<<1, thế Coulomb lại xem như thành phần gây nhiễu loạn, do lúc này trường lade mạnh hơn so với trường Coulomb của nguyên tử, lúc này electron có thể thoát khỏi hố thế theo một trong hai cơ chế tùy theo cường độ của trường lade:  Ion hóa xuyên hầm: Khi cường độ trường lade đủ mạnh, làm cho hàng rào Coulomb trở nên hẹp hơn, cho phép sự ion hóa xuyên hầm xảy ra và tạo thành một dòng xuyên hầm phụ thuộc vào sự thay đổi của thế năng tổng hợp.  Ion hóa vượt rào: Khi cường độ trường lade rất mạnh, biên độ điện trường đạt đến giá trị đủ để vượt qua hàng rào Coulomb bên dưới mức năng lượng của trạng thái cơ bản, mở đường cho sự ion hóa vượt rào. (a) Ion hóa đa photon (b) Ion hóa xuyên hầm (c) Ion hóa vượt rào Hình 2.8: Các cơ chế ion hóa khi lade tương tác với nguyên tử 2.2.5 Tốc độ ion hóa Sự tương tác giữa trường lade và phân tử, nguyên tử luôn gắn liền với sự ion hóa. Vì vậy trong quá trình nghiên cứu hiện tượng này, việc tính toán tốc độ ion hóa của nguyên tử, phân tử trong trường điện từ là một đại lượng luôn được các nhà khoa học quan tâm. Đặc biệt trong việc ứng dụng chụp ảnh phân tử, tức là sử dụng nguồn thông tin thu được từ phổ HHG, để giải quyết bài toán ngược tìm thông tin cấu trúc động của phân tử thì tốc độ ion hóa là một đại lượng đặc biệt quan trọng và cần được xác định. Các nhà khoa học đã có nhiều nghiên cứu xây dựng những hướng tiếp cận khác nhau để xác định đại lượng tốc độ ion hóa. Hiện nay có hai hướng tiếp cận phổ biến trong vấn đề này, đó là gần đúng trường mạnh (SFA) được khởi xướng từ những kết quả tính toán ban đầu của Keldysh, Faisal, Reiss và gần đúng ADK, được xây dựng ban đầu bởi các tác giả Ammosov, Delone, Krainov. Hai hướng này về sau được phát triển cho phân tử (MO -SFA và MO-ADK). Hiện nay, đây vẫn là hai trong số những hướng tiếp cận phổ biến đối với đại lượng tốc độ ion hóa. 2.3 Sự phát xạ sóng hài bậc cao 2.3.1 Giới thiệu về sóng hài bậc cao Sự tương tác giữa các xung lade mạnh, cực ngắn, phân cực thẳng với nguyên tử với các đám nguyên và với các phân tử gây ra sự phát các bức xạ điều hòa có tần số gấp nhiều lần tần số trường lade ban đầu trong vùng XUV hoặc vùng tia X mềm của phổ, gọi là sự phát các sóng hài bậc cao: High-order Hamornics Generation (HHG). Hình 2.9: Hiện tượng phát xạ HHG HHG chính là những photon sinh ra với tần số lớn là một số nguyên lần tần số của xung lade chiếu tới. Photon phát ra có những tính chất tương tự như ánh sáng lade chiếu tới: nó xuất hiện như một chùm sáng có hướng và có thể được nén thành một xung ngắn. Với nhu cầu tạo ra xung ánh sáng siêu ngắn, các nhà nghiên cứu đã nghĩ đến việc sử dụng chính các electron trong nguyên tử . Các electron này khi tương tác với hạt nhân sẽ bức xạ ra sóng điện từ dưới dạng các photon, thông thường nếu các điện tử do chịu ảnh hưởng bởi trường ngoài và bị kích thích phát xạ thì những phát xạ này rất nhỏ, không thể phát hiện được. Các nhà nghiên cứu đã đặt vấn đề rằng nếu có thể tác dụng một trường ngoài đủ mạnh để cho các electron thoát ra khỏi hố thế của nguyên tử và quay trở lại kết hợp với hạt nhân mẹ của nó và đồng thời phát ra photon năng lượng cao . Vì electron được dao động trong một điện trường ngoài nên năng lượng của electron khi tương tác với hạt nhân mẹ sẽ lớn, nhờ vậy sóng phát ra sẽ có năng lượng lớn hơn bình thường. Do đó, ban đầu các thí nghiệm về sự phát xạ sóng hài bậc cao được tiến hành với mục đích chính là để khảo sát những điều kiện quang học cần thiết cho sự phát xạ sóng hài bậc cao, từ đó phát triển nguồn phát xạ ánh sáng xung ngắn trong vùng XUV và vùng tia X mềm. Tuy nhiên, trong quá trình tìm hiểu về phổ phát xạ của sóng hài đối với một số phân tử đơn giản, các nhà nghiên cứu nhận thấy rằng phổ phát xạ sóng hài phụ thuộc vào sự định hướng của trục phân tử. Hơn nữa, sự phát xạ sóng hài xảy ra tại thờ._.