Атосекундні імпульси. Хто й за що отримав Нобелівську премію з фізики
Нобелівський тиждень продовжується. Третього жовтня оголосили лауреатів Нобелівської премії з фізики. Ними стали науковиця та два науковці з США, Німеччини та Швеції. SPEKA обрала головне зі статті Nature про цьогорічних нобеліатів.
Які науковці отримали Нобелівську премію з фізики — 2023
Цього року Нобелівську премію з фізики присуджено П’єру Агостіні з Університету штату Огайо, США, Ференцу Краузу з Інституту квантової оптики імені Макса Планка в Гархінгу, Німеччина, та Анн Л’Юйє з Лундського університету, Швеція — за їхні дослідження атосекундних імпульсів світла. ЛʼЮйє — пʼята жінка, що отримала Нобелівську премію з фізики за усі роки її існування. Першою була Марія Склодовська-Кюрі.
Фізика атосекунд дозволяє вченим розглядати найдрібніші частинки в найкоротші терміни (атосекунда становить одну квінтильйонну частку секунди або одну мільярдну наносекунди).
Атосекундна наука: за що вченим дали Нобелівську премію з фізики у 2023 році
Підписуйтеся на наші соцмережі
Якщо фотографувати швидкий об'єкт, освітлюючи його короткими спалахами світла, можна побачити застигле чітке зображення — це стробоскопічний ефект. Ви могли бачити його у нічних клубах. Атосекундні світлові імпульси діють за тим самим принципом, відкриваючи світ явищ, які колись вважалися неможливими.
Коли вони опромінювали аргон інфрачервоним лазером, газ випускав нові фотони, частота і енергія яких була вищою за частоту падаючих променів — всі ці частоти були обертонами лазерного світла, тобто рівно у 2, 3 й далі... рази більшими, як на піаніно одні й ті ж ноти у різних октавах.
Л’Юйє та інші дослідники незабаром з’ясували фізику того, як газ породжує ці «вищі гармоніки». Це призвело до відкриття реколізії: коли лазерна хвиля потрапляє на атом, електричні поля хвилі можуть відірвати електрон, залишаючи позаду позитивний іон. Але якщо хвиля має правильну частоту, її швидко осцилюючі поля негайно змінять напрямок і штовхнуть електрон назад до іона, перш ніж він встигне відлетіти кудись ще.
Вхідний електрон часто має більше енергії, ніж потрібно для іонізації атома, і ця додаткова енергія потім вивільняється у вигляді нових високочастотних фотонів.
А у 2001 році команда під керівництвом П’єра Агостіні, також з Університету Париж-Сакле, була першою, кому вдалося перетворити вищі гармоніки на імпульси атосекундної шкали.
Найважливіше, що Агостіні розробив техніку вимірювання тривалості імпульсів і підтвердження того, що вони перебувають у режимі атосекунд — цього ніхто не робив раніше.
До чого тут лазерні імпульси
Спочатку атосекундні імпульси йшли у швидкій послідовності, надто близько один до одного, щоб бути корисними. Щоб використовувати їх як зонди процесів атосекундного масштабу, дослідникам потрібні були ізольовані імпульси.
Щоб досягти цього, необхідно зробити з лазерних імпульсів, які самі по собі були дуже короткими, щонайбільше кілька тисяч атосекунд. Такі імпульси видавала лазерна установка, яку розробив німецький науковець Ференц Крауз у 1990-х роках. Під час експерименту 2001 року у Віденському університеті Крауз поєднав свій лазер із генерацією високих гармонік, щоб виробляти імпульси, які тривали лише 650 атосекунд, вперше подолавши бар’єр у 1000 атосекунд.
У наступні роки група Крауза та інші дослідники використовували цю техніку для проведення серії піонерських наукових експериментів на атосекундному масштабі. Дослідники виміряли швидкість фотоелектричного ефекту, під час якого світло відриває електрони від атома. Фізики знали, що це складний процес, і припускали, що електрон не виділяється миттєво, але до атосекундної науки не було способу виміряти його фактичну тривалість.
Невдовзі ці методи почали застосовувати не лише до окремих атомів, а й до молекул і навіть твердих тіл і рідин. Атосекундні імпульси можуть показати, що відбувається одразу після того, як молекула втрачає електрон і стає іонізованою: решта електронів починає перегруповуватися задовго до того, як ядра атомів усвідомлюють це.Зараз дослідники працюють над поширенням цих методів на «атохімію», плануючи використовувати світлові імпульси для керування утворенням і розривом зв’язків.
«Потрібен час, щоб досягти того моменту, коли ми почнемо бачити застосування в медицині, напівпровідниковій промисловості та хімії», — зазначила ЛʼЮйє.
