Nauki ścisłe [2023-10-09]

Nobel za najkrótsze ujęcia

— Żaneta Kopczyńska

Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L'Huillier. Docenione przez Szwedzką Królewską Akademię Nauk eksperymenty ze światłem, które pozwalają uchwycić krótkie momenty z życia atomów i cząsteczek, komentuje dr inż. Grzegorz Kowzan z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej UMK.

Królewska Szwedzka Akademia Nauk uhonorowała troje naukowców za "doświadczalne metody generacji attosekundowych impulsów światła w celu badania dynamiki elektronów w materii". Nagrodą podzielą się Pierre Agostini z Uniwersytetu Stanowego Ohio w USA, Ferenc Krausz z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka w Garching i Uniwersytetu Ludwika i Maksymiliana w Monachium oraz Anne L'Huillier ze szwedzkiego Uniwersytetu w Lund. Wyróżniono ich za eksperymenty, które zapewniły ludzkości nowe narzędzia do badania dynamiki elektronów wewnątrz atomów i cząsteczek. Ich wkład w naukę otworzył drogę do badania procesów tak szybkich, że wcześniej niemożliwe było ich śledzenie.

Możemy teraz otworzyć drzwi do świata elektronów. Fizyka attosekundowa daje nam możliwość zrozumienia mechanizmów, które rządzą elektronami. Następnym krokiem będzie ich wykorzystanie – tłumaczy Eva Olsson, przewodnicząca Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki.

Fundamentalna attosekunda

Odkąd fizyka kwantowa ponad 100 lat temu wyjaśniła strukturę atomu, wiadomo było, że zmiany stanu chmury elektronowej zachodzą w skali czasu rzędu attosekund. To jednostka czasu, jedna miliardowa miliardowej części sekundy (10^-18 s). Komisja Noblowska w dziedzinie fizyki podaje – dla lepszego wyobrażenia sobie, jak bardzo jest "krótka" – że w ciągu jednej sekundy jest tyle attosekund, ile minęło sekund od narodzin wszechświata.

Z tego powodu generacja i manipulacja impulsami attosekundowymi mają fundamentalnie znaczenie dla fizyki atomowej oraz molekularnej, wciąż jednak pozostaje eksperymentalnie trudna – wyjaśnia dr inż. Grzegorz Kowzan z Katedry Fizyki Atomowej, Molekularnej i Optycznej w Instytucie Fizyki UMK.

Dr inż. Kowzan podaje, że temat badania zjawisk zachodzących w coraz krótszej skali czasu od dawna zajmuje naukowców.

– W latach 50. Manfred Eigen, Roland Norrish i George Porter badali kinetykę reakcji chemicznych zachodzących w skali nano- i mikrosekund, wzbudzanych silnymi błyskami światła. W 1967 r. zostali za to uhonorowani Nagrodą Nobla w dziedzinie chemii – tłumaczy dr inż. Kowzan. – Z końcem lat 80., dzięki wykorzystaniu impulsów femtosekundowych (o czasie trwania 10^-15 s, jedna milionowa miliardowej części sekundy), przeskoczyliśmy skalę czasową o kolejne kilka rzędów wielkości i potrafimy od tamtego czasu bezpośrednio mierzyć ruch atomów w molekułach. Za badania i odkrycia w tym temacie Nobla, również z chemii, przyznano w 1999 r. Ahmedowi Zewailowi. Dopiero jednak impulsy o długości dziesiątek lub setek attosekund pozwalają na bezpośrednią obserwację zmian stanów elektronowych.

Impulsy attosekundowe wytwarzane są przy wykorzystaniu laserów femtosekundowych o bardzo wysokiej mocy z wykorzystaniem zjawiska generacji fal harmonicznych wysokiego rzędu.

W zjawisku tym pole elektryczne oddziałuje z atomem gazu szlachetnego – zazwyczaj argonem lub kryptonem – i w trakcie pojedynczego cyklu "wyrywa" elektron, rozpędza go i zawraca, aby następnie zderzyć z tym samym atomem – mówi dr inż. Kowzan. – W procesie rekombinacji energia elektronu jest emitowana jako ciąg impulsów attosekundowych o długości fali od kilku do kilkudziesięciu nanometrów.

Noblowskie eksperymenty ze światłem

Już pod koniec lat 80. wykonywano eksperymenty, w których mogło być emitowane takie promieniowanie, lecz potrzeba było kilkunastu lat pracy teoretycznej i eksperymentalnej, aby wytłumaczyć te procesy i zapanować nad nimi. Ogromne zasługi na tym polu ma właśnie nowa noblistka – Anne L'Huillier.

W 1987 r. odkryła, że podczas przepuszczania światła lasera podczerwonego przez gaz szlachetny powstaje wiele różnych odcieni światła. Generowany jest grzebień fal harmonicznych wysokiego rzędu o zbliżonych natężeniach. Takie widmo promieniowania może – ale nie musi – odpowiadać generacji impulsów attosekundowych. Anne L'Huillier w dalszym ciągu badała to zjawisko, kładąc podwaliny pod kolejne przełomy.

Warto wspomnieć, że w 1994 r. we współpracy z prof. Maciejem Lewensteinem, pracującym obecnie w  Institut de Ciències Fotòniques w Barcelonie, przedstawili kwantowo-mechaniczną teorię generacji fal harmonicznych wysokiego rzędu – dodaje dr inż. Kowzan. – Bez tej teorii niemożliwe byłoby opracowanie fazoczułych metod charakteryzacji impulsów attosekundowych, które pozwalają wykorzystać je w praktyce. Dotychczas używano modelu półklasycznego, który pomijał istotne cechy procesu lub numerycznie rozwiązywano zależne od czasu równanie Schrödingera, co jednak nie dawało intuicyjnego zrozumienia problemu.

Dalszy rozwój technologii generacji ultrakrótkich impulsów i ich diagnostyki umożliwił w 2001 r. grupie Pierre'a Agostiniego wygenerowanie i zmierzenie ciągu impulsów o długości 250 attosekund. W tym samym czasie Ferenc Krausz pracował nad innym typem eksperymentu, pozwalającym wyizolować pojedynczy impuls świetlny trwający zaledwie 650 attosekund.

Nobel w praktyce

– Generacja i manipulowanie impulsami attosekundowymi są wciąż eksperymentalnie trudne, ponieważ standardowe elementy optyczne absorbują część generowanego promieniowania – mówi dr inż. Kowzan. – Impulsy attosekundowe są używane do badania kolejnych materiałów i zjawisk. Dziedzina bardzo silnie się rozwija i jest już sporo przykładów obiecujących zastosowań w wielu obszarach.

Mają potencjał m.in. w badaniach nowych materiałów dwuwymiarowych, których własności zależą od dynamiki elektronów, co w przyszłości może pozwolić na zaprojektowanie nowych urządzeń elektronicznych.

Technologia attosekundowa pozwoli również zrozumieć zachowanie swobodnych elektronów w układach biologicznych czy też początkowe fazy procesów fotochemicznych – tłumaczy dr inż. Kowzan. – Techniki generacji ultrakrótkich impulsów opracowywanie przez Ferenca Krausza nie ograniczają się tylko do generacji attosekund. Mogą zostać wykorzystane do generacji koherentnego promieniowania podczerwonego, w przeciwieństwie do niekoherentnych źródeł termicznych, lub do generacji promieniowania terahercowego, zamiast trudniej dostępnych i bardziej kosztownych źródeł synchrotronowych.

Nowe zakresy spektralne pozwalają z kolei na nowatorskie zastosowania praktyczne, m.in. w spektroskopii i opracowywaniu nowoczesnych materiałów oraz w szybkiej diagnostyce medycznej, np. przy wykrywaniu chorób na podstawie analizy markerów w krwi pacjenta.

Nagroda Nobla z fizyki przyznawana jest od 1901 r. Do tej pory laureatów w tej dziedzinie nie wskazano sześć razy, w: 1916, 1931, 1934, 1940, 1941 i 1942 r. Do chwili obecnej najmłodszym laureatem jest Lawrence Bragg, który miał 25 lat, gdy w 1915 r. otrzymał ją wraz z ojcem za zasługi w badaniu struktury krystalicznej za pomocą promieniowania rentgenowskiego. Najstarszym dotychczasowym laureatem jest zaś Arthur Ashkin, który w chwili otrzymania Nagrody Nobla w 2018 r. miał 96 lat. Otrzymał ją za stworzenie szczypiec optycznych oraz opracowanie ich zastosowania. W ubiegłym roku Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki otrzymali Alain Aspect, John F. Clauser oraz Anton Zeilinger za eksperymenty ze splątanymi fotonami, wykazanie łamania nierówności Bella i pionierski wkład w informatykę kwantową.