Tán xạ không đàn hồi là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa Tán xạ không đàn hồi là gì?

Tán xạ không đàn hồi (inelastic scattering) là hiện tượng trong đó hạt hoặc sóng sau khi tương tác với một hệ vật chất không bảo toàn năng lượng toàn phần, tức là năng lượng của hạt sau tán xạ khác với năng lượng ban đầu. Sự chênh lệch năng lượng này phản ánh việc có sự trao đổi năng lượng giữa hạt tới và hệ vật chất, ví dụ như kích thích dao động, chuyển mức điện tử hoặc quay của phân tử.

Trong các quá trình tán xạ không đàn hồi, một phần năng lượng của hạt tới được truyền vào vật chất (hoặc ngược lại), làm thay đổi trạng thái nội tại của hệ như tạo phonon, chuyển mức điện tử hay phát xạ photon. Đây là một trong những công cụ nền tảng để khảo sát cấu trúc vi mô và mức năng lượng nội tại của vật chất trong vật lý, hóa học và khoa học vật liệu.

Hiện tượng này khác biệt với tán xạ đàn hồi – nơi mà chỉ có hướng chuyển động thay đổi, còn năng lượng và trạng thái nội tại của hệ không đổi. Tán xạ không đàn hồi thường được khai thác trong các kỹ thuật phân tích hiện đại như phổ Raman, phổ tổn thất năng lượng electron (EELS) hoặc tán xạ neutron không đàn hồi để truy xuất thông tin chi tiết về cấu trúc, dao động và điện tử của vật liệu.

Phân loại tán xạ không đàn hồi

Tùy vào loại hạt hoặc sóng tham gia quá trình tương tác, tán xạ không đàn hồi có thể được chia thành nhiều nhóm với đặc điểm và ứng dụng riêng biệt. Việc phân loại giúp xác định rõ cơ chế vật lý, năng lượng tham gia và thông tin thu được sau tán xạ.

• Tán xạ photon: thường gặp trong hiệu ứng Raman và tán xạ Compton. Photon ánh sáng tương tác với phân tử hoặc điện tử, gây ra dao động phân tử hoặc thay đổi mức năng lượng quang học.
• Tán xạ electron: phổ biến trong kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) sử dụng kỹ thuật EELS để đo tổn thất năng lượng của các electron do tương tác với điện tử lớp vỏ hoặc mức liên kết hóa học.
• Tán xạ neutron: dùng trong vật lý chất rắn để khảo sát chuyển động tập thể như phonon (dao động mạng tinh thể) hoặc magnon (dao động spin trong vật liệu từ).

Ba dạng tán xạ trên đều khai thác đặc điểm riêng của hạt tương tác để đo lường sự thay đổi năng lượng sau va chạm. Trong mọi trường hợp, sự mất mát hoặc thu thêm năng lượng cung cấp thông tin định lượng về hệ vật chất. Đó có thể là năng lượng dao động, chuyển mức điện tử, hoặc đặc trưng từ học, đóng vai trò quyết định trong các nghiên cứu tiên tiến.

Loại hạt/sóng	Ví dụ kỹ thuật	Thông tin thu được
Photon	Raman spectroscopy	Dao động phân tử, liên kết hóa học
Electron	EELS	Cấu trúc điện tử, hóa học bề mặt
Neutron	Neutron scattering	Dao động mạng, tương tác spin

Nguyên lý vật lý cơ bản

Trong cơ học lượng tử, tán xạ không đàn hồi là hệ quả của tương tác hạt – hệ vật chất có khả năng hấp thụ hoặc phát ra lượng tử năng lượng. Khi một hạt (electron, photon, neutron) va chạm với hệ, nó có thể kích thích các trạng thái nội tại như mức dao động, mức quay hoặc mức điện tử, dẫn đến thay đổi năng lượng của chính nó sau va chạm. Quá trình này tuân theo định luật bảo toàn năng lượng tổng thể:

$E_{\text{ban đầu}} = E_{\text{sau}} + \Delta E$

Trong đó, $\Delta E$ là năng lượng trao đổi với hệ – dương nếu hệ hấp thụ năng lượng, âm nếu hệ phát ra năng lượng. Do tán xạ không đàn hồi liên quan đến sự thay đổi vi mô trong cấu trúc năng lượng, nên nó nhạy cảm với tính chất lượng tử, phân bố năng lượng và sự đối xứng của hệ vật chất.

Để phát hiện hiệu ứng này, cần sử dụng các thiết bị có độ phân giải năng lượng cao để đo sự khác biệt rất nhỏ (thường ở đơn vị meV hoặc nhỏ hơn) giữa hạt tới và hạt tán xạ. Vì thế, các phép đo tán xạ không đàn hồi thường yêu cầu nguồn bức xạ chuẩn, thiết bị thu năng lượng chính xác, và môi trường đo được kiểm soát chặt chẽ.

Hiệu ứng Raman

Hiệu ứng Raman là một trong những ví dụ kinh điển và phổ biến nhất của tán xạ không đàn hồi trong quang học. Khi ánh sáng đơn sắc (thường từ laser) chiếu vào vật liệu, phần lớn photon bị tán xạ đàn hồi (tán xạ Rayleigh), nhưng một phần nhỏ (~10^-6) bị tán xạ với năng lượng thay đổi, gọi là tán xạ Raman.

Nếu photon mất năng lượng để kích thích phân tử từ trạng thái dao động cơ bản lên trạng thái kích thích → tạo ra tán xạ Raman Stokes. Ngược lại, nếu phân tử đang ở trạng thái dao động kích thích và mất năng lượng cho photon tới → tạo ra Raman anti-Stokes. Sự chênh lệch năng lượng này là đặc trưng cho các dao động nội phân tử.

• Stokes: photon tán xạ có năng lượng thấp hơn
• Anti-Stokes: photon tán xạ có năng lượng cao hơn

Sự thay đổi năng lượng này thường nằm trong khoảng 100–3500 cm⁻¹, phù hợp với vùng dao động phân tử, nên kỹ thuật phổ Raman là công cụ mạnh để phân tích cấu trúc hóa học, xác định nhóm chức, theo dõi phản ứng hóa học, và nghiên cứu vật liệu nano, sinh học. Ngoài ra, Raman còn có ưu điểm là không phá hủy mẫu và không cần xử lý mẫu phức tạp.

Tham khảo: Thermo Fisher – Raman Spectroscopy

Ứng dụng trong phổ tổn thất năng lượng electron (EELS)

Phổ tổn thất năng lượng electron (Electron Energy Loss Spectroscopy – EELS) là kỹ thuật phân tích sử dụng tán xạ không đàn hồi của electron trong kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) để khảo sát vật liệu ở cấp độ nguyên tử. Khi chùm electron năng lượng cao đi qua mẫu vật mỏng, một số electron sẽ mất năng lượng do tương tác với điện tử lớp vỏ, plasmon, hoặc cấu trúc mạng tinh thể của vật liệu.

Phổ EELS ghi nhận mức năng lượng bị mất này để suy luận ra bản chất hóa học, trạng thái oxi hóa và phân bố điện tử trong mẫu vật. Do electron có bước sóng rất nhỏ, kỹ thuật này cung cấp độ phân giải không gian cao hơn cả tia X hay photon, và có thể thực hiện trên vùng cỡ vài nanomet hoặc thậm chí dưới 1 nm.

Bảng dưới minh họa các vùng năng lượng tổn thất và thông tin tương ứng trong phổ EELS:

Vùng năng lượng tổn thất	Khoảng năng lượng	Thông tin thu được
Vùng thấp (low-loss)	0–50 eV	Plasmon, gap năng lượng
Vùng lõi (core-loss)	> 50 eV	Nguyên tố, trạng thái hóa trị

Core-loss EELS đặc biệt hữu ích trong việc xác định nguyên tố bằng cách phân tích các cạnh hấp thụ (ionization edges), chẳng hạn cạnh L_2,3 của Fe hoặc cạnh K của O. Phân tích hình dạng và vị trí của các đỉnh phổ cũng cho thấy thông tin về trạng thái oxy hóa (ví dụ Fe²⁺ vs Fe³⁺) hoặc kiểu liên kết hóa học.

Xem thêm tài liệu tại: JEOL – EELS Overview

Vai trò trong nghiên cứu vật lý chất rắn

Tán xạ không đàn hồi là một công cụ phân tích không thể thiếu trong vật lý chất rắn hiện đại, đặc biệt trong khảo sát dao động mạng (phonon), dao động spin (magnon), trạng thái điện tử và sự tương tác giữa các hạt cơ bản trong vật liệu ngưng tụ. Các kỹ thuật như tán xạ neutron không đàn hồi hoặc X-ray không đàn hồi được sử dụng để đo phổ năng lượng-phân tử (E–q dispersion), cung cấp thông tin về các kích thích tập thể.

Phổ phonon đo được từ tán xạ neutron cho thấy cách thức mà năng lượng truyền qua mạng tinh thể, ảnh hưởng đến các tính chất như độ dẫn nhiệt, độ cứng và ổn định mạng. Còn phổ magnon mô tả tương tác spin, từ đó suy luận về các tính chất từ như ferromagnetism hay antiferromagnetism.

Ví dụ, trong vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao như YBa₂Cu₃O₇, việc xác định sự kết cặp giữa phonon và điện tử bằng tán xạ không đàn hồi đã giúp làm sáng tỏ cơ chế siêu dẫn chưa giải thích được hoàn toàn. Ngoài ra, kỹ thuật này còn được dùng để khảo sát vật liệu 2D như graphene hoặc vật liệu topo – nơi tồn tại các trạng thái biên kỳ lạ có liên quan đến vật lý lượng tử phi cổ điển.

• Phổ phonon → truyền nhiệt, dao động mạng
• Phổ magnon → tương tác spin, từ tính
• Phổ exciton → tính chất quang điện tử

So sánh với tán xạ đàn hồi

Sự khác biệt cốt lõi giữa tán xạ đàn hồi và không đàn hồi nằm ở việc trao đổi năng lượng. Trong tán xạ đàn hồi, hạt tán xạ có cùng năng lượng như ban đầu và chỉ thay đổi hướng; trong khi đó, tán xạ không đàn hồi bao gồm sự thay đổi năng lượng đáng kể liên quan đến quá trình chuyển trạng thái trong vật liệu.

Điều này dẫn đến hai nhóm ứng dụng khác nhau. Tán xạ đàn hồi thường dùng để khảo sát cấu trúc hình học, ví dụ như nhiễu xạ tia X, nhiễu xạ neutron, SEM, trong khi tán xạ không đàn hồi cho phép nghiên cứu trạng thái năng lượng, tương tác vi mô và đặc trưng điện tử của vật liệu.

Đặc điểm	Tán xạ đàn hồi	Tán xạ không đàn hồi
Thay đổi năng lượng	Không	Có
Thay đổi trạng thái hệ	Không	Có (dao động, điện tử...)
Ứng dụng chính	Nhiễu xạ, hình ảnh cấu trúc	Phân tích năng lượng, dao động

Ứng dụng công nghệ và kỹ thuật

Tán xạ không đàn hồi là công cụ nghiên cứu chuyên sâu nhưng cũng có giá trị ứng dụng công nghệ thực tiễn cao. Trong y học, phổ Raman cho phép chẩn đoán ung thư qua việc nhận diện phân tử sinh học đặc trưng. Trong điện tử, EELS giúp kiểm tra lớp màng oxit siêu mỏng, xác định độ giàu hóa trị trong vật liệu bán dẫn.

Trong công nghiệp, các kỹ thuật dựa trên tán xạ không đàn hồi được dùng để kiểm tra chất lượng vật liệu nano, theo dõi sự ăn mòn trong pin lithium, hoặc phát hiện tạp chất trong dược phẩm và chất xúc tác. Tán xạ neutron và X-ray không đàn hồi tại các cơ sở synchrotron quốc tế còn hỗ trợ nghiên cứu vật liệu lượng tử, từ siêu dẫn đến vật liệu đa ferroic.

• Y sinh: phát hiện sinh khối, phân tử ADN, tế bào ung thư
• Điện tử: xác định vùng điện tích, trạng thái hóa trị
• Nano: phân tích cấu trúc carbon, graphene, phân tử đơn lớp

Giới hạn và thách thức

Dù đem lại lượng thông tin khổng lồ, các kỹ thuật tán xạ không đàn hồi vẫn đối mặt nhiều thách thức. Thứ nhất là độ nhạy đo – tỷ lệ tín hiệu Raman thường rất thấp, cần laser mạnh và detector nhạy. Thứ hai là yêu cầu thiết bị phức tạp như hệ thống lọc năng lượng, máy TEM tích hợp EELS hoặc máy tán xạ neutron cường độ cao.

Thứ ba là độ phức tạp trong phân tích phổ – tín hiệu thu được thường chồng lấn từ nhiều quá trình khác nhau (như dao động và điện tử), đòi hỏi kỹ năng xử lý số, mô hình hóa và hiệu chuẩn cao. Ngoài ra, nhiễu nền và tín hiệu tạp cũng là rào cản lớn trong phân tích mẫu thực.

Do đó, phát triển các thuật toán AI, mô hình học máy để phân tách và dự đoán phổ đang là hướng đi mạnh mẽ để nâng cao khả năng khai thác thông tin từ tán xạ không đàn hồi.

Tóm tắt

Tán xạ không đàn hồi là hiện tượng hạt hoặc sóng trao đổi năng lượng với vật chất trong quá trình tương tác, tạo ra phổ năng lượng phản ánh cấu trúc bên trong. Các kỹ thuật dựa trên hiện tượng này như Raman, EELS hay tán xạ neutron không đàn hồi đang là công cụ then chốt trong nghiên cứu vật liệu, y học và công nghệ nano, giúp khám phá sâu sắc cấu trúc, dao động và trạng thái điện tử ở cấp độ vi mô.