Zakaj je odkritje atosekundnih impulzov vredno Nobelove nagrade?
V torek so Pierru Agostiniju, Ferencu Krauszu in Anne L’Huillier za “eksperimentalne metode, ki ustvarjajo atosekundne impulze svetlobe za preučevanje dinamike elektronov v snovi”, podelili Nobelovo nagrado za fiziko za leto 2023.
Na prvi pogled in predvsem zaradi kompleksnosti tega področja fizike se lahko laikom zdi, da je to odkritje po pomenu skromnejše od nekaterih drugih, za katera so prej podeljevali Nobelove nagrade. Na primer za odkritje dolgo iskanega Higgsovega bozona ali za odkritje gravitacijskih valov. Obstoj slednjih je v začetku 20. stoletja napovedal Albert Einstein. Einstein je verjel, da ni dovolj natančnega instrumenta, da bi jih zaznal, nikoli ne bo.
Toda odkritje atosekundnih impulzov ima velik znanstveni pomen in številne možne uporabe.
Doslej so različne naprave, kot so teleskopi, omogočale odkrivanje stvari na zelo velikih, vesoljskih dimenzijah, razni mikroskopi pa na zelo majhnih, molekularnih.
Odkritje atosekundnih impulzov nam omogoča povsem nove preboje v znanosti – opazovanje dogodkov, ki se zgodijo v izjemno kratkih časovnih intervalih.
Odpiranje vrat v svet elektronov
Zato je ta tehnologija revolucionarna, saj omogoča raziskovanje procesov, ki so tako hitri, da jim prej ni bilo mogoče slediti.
“Zdaj lahko odpremo vrata v svet elektronov. Attosekundna fizika nam daje priložnost, da razumemo mehanizme, ki upravljajo elektrone. Naslednji korak bo njihova uporaba,” je komentirala Eva Olsson, predsednica Nobelovega odbora za fiziko. podelitev nagrade.
Kaj je atosekundni impulz?
Za začetek ni na mestu, če si poskušamo zamisliti težko sliko – kako kratek je atosekundni impulz.
Attosekundni svetlobni impulz je impulz, ki traja samo 10^-18 sekund ali 0,0000000000000000001 sekunde.
Za ponazoritev, časovni interval 1 atosekunde je primerljiv s časom, ki ga potrebuje elektron, da potuje okoli jedra atoma. Elektron se izjemno hitro giblje okoli jedra in v tem mikrosvetu atosekundni impulz predstavlja neverjetno majhen trenutek, ki ga za običajne človeške izkušnje s časom skorajda ni.
Še ponazoritev: atosekunda je tako kratka, da je v eni sekundi približno toliko sekund, kot jih je bilo od nastanka vesolja do danes.
Za snemanje gibanja elektronov
Ta tehnologija je stara komaj 20 let, kar pomeni, da so njene številne uporabe šele pred nami.
V medicini bi lahko atosekundne laserske impulze uporabili za identifikacijo različnih molekul, kar je lahko uporabno v medicinski diagnostiki. Lahko bi jih na primer uporabili za odkrivanje določenih bolezni na podlagi njihovih edinstvenih molekularnih podpisov.
Attosekundne impulze bi lahko uporabili za preučevanje dinamike elektronov na zelo majhnih časovnih skalah. To bi lahko imelo široko uporabo v fiziki, kemiji in biologiji. Znanstveniki bi lahko na primer naredili 3D zemljevide elektronov in posneli filme njihovega gibanja s pošiljanjem atosekundnih svetlobnih impulzov skozi materiale. Ko ta impulz interagira z elektroni znotraj materiala, pride do njegovega popačenja. Z upoštevanjem teh popačenj bi lahko znanstveniki ustvarili 3D zemljevide elektronov in posneli filme njihovega gibanja.
Za diagnosticiranje v medicini
Asist. dr. Damir Aumiler, vodja Centra za napredne laserske tehnike Fizikalnega inštituta, pravi, da atosekundni impulzi omogočajo spremljanje dogajanja z elektroni na časovni skali, v kateri se gibljejo v atomih in molekulah.
“Lahko posnamemo slike utripa elektronov z bliskom atosekundne svetlobe in tako posnamemo filme, v katerih sledimo elektronom v realnem času. Potencialne aplikacije segajo od elektronike do medicine. Na primer, atosekundne impulze lahko uporabimo za vzbujanje molekul, ki nato oddajajo signal, ki ga lahko merimo. Ta signal ima posebno strukturo, nekakšen molekularni prstni odtis, ki razkrije, za katero molekulo gre, njegove možne aplikacije pa so v medicinski diagnostiki,« pojasnjuje naš fizik.
Za veliko močnejše računalnike
V računalniški tehnologiji bi jih lahko uporabili za manipulacijo gibanja elektronov na atosekundni časovni lestvici, ki ustreza izjemno visoki frekvenci petahercev. Takšna manipulacija velja za osnovo za razvoj fotoelektrične obdelave informacij pri petahercih, kar bi lahko povzročilo izjemno hitro obdelavo podatkov. Današnji obstoječi računalniški čipi delujejo na lestvici nanosekund, tj. gigahercev. Svetloba, ki niha pri petaherčni frekvenci, bi lahko omogočila petaherčno delovanje, kar bi vodilo do povečanja hitrosti obdelave podatkov za približno milijonkrat več kot je trenutno mogoče z običajnimi računalniki.
Kako nastanejo atosekundni svetlobni impulzi?
Ultrakratki bliski svetlobe, znani kot atosekundni impulzi, nastanejo s postopkom, imenovanim generacija visokih harmonikov ali HHG.
Kako deluje?
Za ustvarjanje ultrakratkih impulzov znanstveniki prepuščajo femtosekundne laserske impulze (femtosekunda = 10^-15 sekund) skozi pline, večinoma t.i. žlahtni ali inertni plini, ki so običajno zelo stabilni in redko vstopajo v kemične reakcije z drugimi elementi.
Harmoniki nastanejo, ko laserska svetloba medsebojno deluje z atomi plina, kar daje nekaterim elektronom dodatno energijo, ki jo nato oddajajo kot svetlobo. Namreč, elektroni v atomih, ki so prejeli dodatno energijo, se dvignejo na višjo energijsko orbitalo, iz katere nato padejo, pri čemer oddajajo oziroma sproščajo pridobljeno energijo v obliki svetlobe.
Pri tem je pomembno, da je femtosekundni impulz, ki ustvarja harmonike, čim krajši (po možnosti le nekaj nihanj električnega polja) in čim intenzivnejši (da se elektron lažje osvobodi atoma in nato močneje pospešeno z laserskim poljem).
Višji harmoniki elektromagnetnega valovanja so svetlobni impulzi na frekvencah, ki so večkratnik osnovne frekvence laserskega sevanja.
Ko nato povzročimo, da se elektromagnetni valovi harmonikov prekrivajo in interferirajo drug z drugim, se včasih izničijo (ko se srečata zgornji in spodnji del vala), včasih pa se ojačajo (ko se srečata dva vrha), tako kot valovi, ki se srečata na morju včasih izničijo, včasih pa se okrepijo. Na ta način nastanejo impulzi zelo kratkega trajanja (slika spodaj).
Ustvarjanje ultrakratkih impulzov z interferenco
Ustvarjene harmonike je končno mogoče zaznati, analizirati in filtrirati. Tu se pogosto uporabljajo tehnike, kot sta interferometrija in spektroskopija.
Vpliv odkritja bo ogromen
Aumiler pravi, da je že danes jasno, da bo vpliv tega odkritja izjemno velik.
“Enako se je zgodilo pred približno 20 leti, ko so femtosekundni impulzi postali širše dostopni. Femtosekundna časovna lestvica je lestvica gibanja molekul, zato je posledično uporaba takšnih impulzov z razumevanjem in nadzorom kemičnih reakcij privedla do revolucije v kemiji, biologiji in raziskovanju novih materialov.Takrat še nihče ni mogel niti slutiti, kako pomembna bo uporaba femtosekundnih laserjev na primer v oftalmologiji. Danes nam z atosekundnimi impulzi postaja dostopna časovna skala gibanja elektronov , in ko popolnoma razumemo obnašanje elektronov v materialih, sledi možnost njihovega časovnega nadzora, kar nas popelje v dobo atoznanosti,” pojasnjuje Aumiler.
Takšna tehnologija obstaja tudi v Zagrebu
Poudarja, da so v Centru za napredne laserske tehnike (CALT) na Fizikalnem inštitutu v Zagrebu pravkar zagnali več femtosekundnih laserskih sistemov.
“Takšni laserji se uporabljajo za generiranje višjih harmonikov in atosekundnih impulzov. Nadzor teh procesov je tehnično izjemno zahteven, saj gre za ekstremno ultravijolično svetlobo (XUV), in posledično zelo drag. Trenutno se naše raziskave osredotočajo na femtosekundno časovno dinamiko , vendar so atosekundni sistemi na voljo našim raziskovalcem prek sodelovanja z našimi partnerji v konzorciju Laserlab-Europe, ki združuje več kot 30 vodilnih laserskih laboratorijev v Evropi,« pravi Aumiler.
Za IndexHR Nenad Jarić Dauenhauer
***
Novo knjigo Indexovega znanstvenega novinarja Nenada Jarića Dauenhauerja, ki obravnava najbolj kontroverzne in zanimive teme v znanosti, kot so podnebne spremembe, psevdoznanost, pandemije, GSO in jedrske elektrarne, dobite tukaj .
Foto: Phys.org
Deli vsebino:
