Nozīmīgā paziņojumā 2023. gada 3. oktobra vakarā tika atklāta Nobela prēmija fizikā 2023. gadam, atzīstot trīs zinātnieku izcilo ieguldījumu, kuri ir spēlējuši galveno lomu kā pionieri attosekundes lāzera tehnoloģiju jomā.

Termins "attosekundes lāzers" cēlies no neticami īsā laika skalas, kurā tas darbojas, īpaši attosekundēs, kas atbilst 10^-18 sekundēm. Lai saprastu šīs tehnoloģijas dziļo nozīmi, vissvarīgākā ir fundamentāla izpratne par to, ko nozīmē attosekunde. Attosekunde ir ārkārtīgi minūtes laika vienība, kas veido vienu miljardo daļu no sekundes plašākā vienas sekundes kontekstā. Lai to aplūkotu perspektīvā, ja mēs pielīdzinātu sekundi stipram kalnam, attosekunde būtu līdzīga vienam smilšu graudiņam, kas atrodas kalna pamatnē. Šajā īslaicīgajā laika intervālā pat gaisma tik tikko var šķērsot attālumu, kas līdzvērtīgs atsevišķa atoma izmēram. Izmantojot attosekundes lāzerus, zinātnieki iegūst bezprecedenta spēju rūpīgi pārbaudīt un manipulēt ar elektronu sarežģīto dinamiku atomu struktūrās, līdzīgi kā palēninātas kustības atkārtojumu kadrs pēc kadra kinematogrāfiskā secībā, tādējādi iedziļinoties to mijiedarbībā.

Attosekundes lāzeriir plašo pētījumu un zinātnieku saskaņoto centienu kulminācija, kuri ir izmantojuši nelineārās optikas principus, lai izveidotu īpaši ātrus lāzerus. Viņu parādīšanās mums ir nodrošinājusi novatorisku skatu punktu dinamisko procesu novērošanai un izpētei, kas norisinās atomos, molekulās un pat elektronos cietos materiālos.

Lai noskaidrotu attosekundes lāzeru būtību un novērtētu to netradicionālās īpašības salīdzinājumā ar parastajiem lāzeriem, ir obligāti jāizpēta to klasifikācija plašākā "lāzeru saimē". Klasifikācija pēc viļņa garuma novieto attosekundes lāzerus pārsvarā ultravioleto līdz mīksto rentgenstaru frekvenču diapazonā, kas nozīmē to ievērojami īsāku viļņu garumu atšķirībā no parastajiem lāzeriem. Izvades režīmu ziņā attosekundes lāzeri ietilpst impulsu lāzeru kategorijā, kam raksturīgs ārkārtīgi īss impulsu ilgums. Lai iegūtu analoģiju skaidrības labad, var uzskatīt, ka nepārtrauktu viļņu lāzeri ir līdzīgi zibspuldzei, kas izstaro nepārtrauktu gaismas staru, savukārt impulsa lāzeri atgādina strobo gaismu, kas strauji mainās starp apgaismojuma un tumsas periodiem. Būtībā attosekundes lāzeri uzrāda pulsējošu uzvedību apgaismojumā un tumsā, tomēr to pāreja starp abiem stāvokļiem notiek pārsteidzošā frekvencē, sasniedzot attosekundes.

Turpmāka kategorizēšana pēc jaudas iedala lāzerus mazjaudas, vidējas jaudas un lieljaudas iekavās. Attosekundes lāzeri sasniedz augstu maksimālo jaudu, pateicoties to ārkārtīgi īsajam impulsa ilgumam, kā rezultātā tiek iegūta izteikta maksimālā jauda (P), kas definēta kā enerģijas intensitāte laika vienībā (P=W/t). Lai gan atsevišķiem atosekundes lāzera impulsiem var nebūt īpaši lielas enerģijas (W), to saīsinātais laika apjoms (t) piešķir tiem paaugstinātu maksimālo jaudu.

Runājot par pielietojuma jomām, lāzeri aptver spektru, kas aptver rūpnieciskos, medicīnas un zinātniskos lietojumus. Attosekundes lāzeri galvenokārt atrod savu nišu zinātniskās pētniecības jomā, jo īpaši strauji mainīgu parādību izpētē fizikas un ķīmijas jomās, piedāvājot logu mikrokosmiskās pasaules ātrajos dinamiskajos procesos.

Iedalot kategorijās pēc lāzera vides, lāzeri tiek iedalīti kā gāzes lāzeri, cietvielu lāzeri, šķidrie lāzeri un pusvadītāju lāzeri. Attosekundes lāzeru ģenerēšana parasti ir atkarīga no gāzes lāzera medijiem, izmantojot nelineāros optiskos efektus, lai radītu augstas pakāpes harmonikas.

Rezumējot, attosekundes lāzeri veido unikālu īsu impulsu lāzeru klasi, kas izceļas ar ārkārtīgi īsu impulsu ilgumu, ko parasti mēra attosekundēs. Rezultātā tie ir kļuvuši par neaizstājamiem instrumentiem, lai novērotu un kontrolētu īpaši ātrus elektronu dinamiskos procesus atomos, molekulās un cietos materiālos.

Izstrādāts attosekundes lāzera ģenerēšanas process

Attosekundes lāzera tehnoloģija ir zinātnisko inovāciju priekšgalā, un tās radīšanai ir intriģējoši stingri nosacījumi. Lai noskaidrotu attosekundes lāzera ģenerēšanas sarežģītību, mēs sākam ar kodolīgu tās pamatprincipu izklāstu, kam seko spilgtas metaforas, kas iegūtas no ikdienas pieredzes. Lasītājiem, kuri nepārzina attiecīgās fizikas sarežģījumus, nav jākrīt izmisumā, jo sekojošo metaforu mērķis ir padarīt attosekundes lāzeru pamata fiziku pieejamu.

Attosekundes lāzeru ģenerēšanas process galvenokārt balstās uz tehniku, kas pazīstama kā High Harmonic Generation (HHG). Pirmkārt, augstas intensitātes femtosekundes (10^-15 sekundes) lāzera impulsu stars ir cieši fokusēts uz gāzveida mērķa materiālu. Ir vērts atzīmēt, ka femtosekundes lāzeriem, līdzīgiem attosekundes lāzeriem, ir īss impulsa ilgums un augsta maksimālā jauda. Intensīvā lāzera lauka ietekmē elektroni gāzes atomos uz brīdi tiek atbrīvoti no atomu kodoliem, īslaicīgi nonākot brīvo elektronu stāvoklī. Kad šie elektroni svārstās, reaģējot uz lāzera lauku, tie galu galā atgriežas un rekombinējas ar saviem vecākiem atomu kodoliem, radot jaunus augstas enerģijas stāvokļus.

Šī procesa laikā elektroni pārvietojas ar ārkārtīgi lielu ātrumu, un pēc rekombinācijas ar atomu kodoliem tie atbrīvo papildu enerģiju augstu harmonisko emisiju veidā, kas izpaužas kā augstas enerģijas fotoni.

Šo jaunģenerēto augstas enerģijas fotonu frekvences ir sākotnējās lāzera frekvences veseli skaitļi, veidojot tā sauktās augstas pakāpes harmonikas, kur "harmonikas" apzīmē frekvences, kas ir sākotnējās frekvences neatņemamas daudzkārtnes. Lai iegūtu attosekundes lāzerus, ir nepieciešams filtrēt un fokusēt šīs augstākās pakāpes harmonikas, izvēloties konkrētas harmonikas un koncentrējot tās fokusa punktā. Ja vēlaties, impulsu saspiešanas metodes var vēl vairāk saīsināt impulsa ilgumu, radot īpaši īsus impulsus attosekundes diapazonā. Acīmredzot attosekundes lāzeru ģenerēšana ir sarežģīts un daudzpusīgs process, kas prasa augstu tehniskās spējas un specializētu aprīkojumu.

Lai demistificētu šo sarežģīto procesu, mēs piedāvājam metaforisku paralēli, kuras pamatā ir ikdienas scenāriji:

Augstas intensitātes femtosekundes lāzera impulsi:

Iedomājieties, ka jums ir ārkārtīgi spēcīga katapulta, kas spēj acumirklī mest akmeņus milzīgā ātrumā, līdzīgi kā augstas intensitātes femtosekundes lāzera impulsi.

Gāzveida mērķa materiāls:

Iedomājieties rāmu ūdenstilpi, kas simbolizē gāzveida mērķa materiālu, kur katrs ūdens piliens attēlo neskaitāmus gāzes atomus. Akmeņu dzīšana šajā ūdenstilpē līdzīgi atspoguļo augstas intensitātes femtosekundes lāzera impulsu ietekmi uz gāzveida mērķa materiālu.

Elektronu kustība un rekombinācija (fiziski dēvēta par pāreju):

Kad femtosekundes lāzera impulsi iedarbojas uz gāzes atomiem gāzveida mērķa materiālā, ievērojams skaits ārējo elektronu tiek īslaicīgi ierosināti stāvoklī, kurā tie atdalās no attiecīgajiem atomu kodoliem, veidojot plazmai līdzīgu stāvokli. Sistēmas enerģijai pēc tam samazinoties (tā kā lāzera impulsi pēc savas būtības tiek impulsēti ar pārtraukuma intervāliem), šie ārējie elektroni atgriežas atomu kodolu tuvumā, atbrīvojot augstas enerģijas fotonus.

Augstas harmonikas paaudze:

Iedomājieties katru reizi, kad ūdens piliens nokrīt atpakaļ uz ezera virsmu, tas rada viļņus, līdzīgi kā augstas harmonikas attosekundes lāzeros. Šiem viļņiem ir augstākas frekvences un amplitūdas nekā sākotnējiem viļņiem, ko izraisa primārais femtosekundes lāzera impulss. HHG procesa laikā spēcīgs lāzera stars, kas līdzinās nepārtraukti mētājošiem akmeņiem, apgaismo gāzes mērķi, kas atgādina ezera virsmu. Šis intensīvais lāzera lauks virza elektronus gāzē, līdzīgi kā viļņi, prom no to pamatatomiem un pēc tam atvelk tos atpakaļ. Katru reizi, kad elektrons atgriežas atomā, tas izstaro jaunu lāzera staru ar augstāku frekvenci, kas līdzinās sarežģītākiem viļņošanās modeļiem.

Filtrēšana un fokusēšana:

Apvienojot visus šos jaunizveidotos lāzera starus, tiek iegūts dažādu krāsu spektrs (frekvences vai viļņu garumi), no kuriem daži veido attosekundes lāzeru. Lai izolētu noteiktus viļņu izmērus un frekvences, varat izmantot specializētu filtru, kas līdzinās vēlamo viļņu atlasei, un izmantot palielināmo stiklu, lai fokusētu tos uz noteiktu apgabalu.

Impulsu saspiešana (ja nepieciešams):

Ja vēlaties izplatīt viļņus ātrāk un īsāki, varat paātrināt to izplatīšanos, izmantojot specializētu ierīci, samazinot katras viļņošanās ilgumu. Attosekundes lāzeru ģenerēšana ietver sarežģītu procesu mijiedarbību. Tomēr, sadalot un vizualizējot, tas kļūst saprotamāks.