2023. gada 3. oktobra vakarā ar nozīmīgu paziņojumu tika atklāta 2023. gada Nobela prēmija fizikā, atzīstot trīs zinātnieku izcilo ieguldījumu, kuri ir spēlējuši nozīmīgu lomu kā pionieri attosekunžu lāzertehnoloģijas jomā.

Termins "atosekunžu lāzers" ir atvasināts no neticami īsā laika skalas, kurā tas darbojas, proti, attosekundes, kas atbilst 10^-18 sekundēm. Lai izprastu šīs tehnoloģijas dziļo nozīmi, ir ārkārtīgi svarīgi izprast, ko nozīmē attosekunde. Attosekunde ir ārkārtīgi maza laika vienība, kas veido vienu miljardo daļu no miljardās daļas sekundes plašākā vienas sekundes kontekstā. Lai to aplūkotu perspektīvā, ja mēs salīdzinātu sekundi ar milzīgu kalnu, attosekunde būtu līdzīga vienam smilšu graudiņam, kas atrodas kalna pakājē. Šajā īslaicīgajā laika intervālā pat gaisma tik tikko var pārvarēt attālumu, kas līdzinās atsevišķa atoma izmēram. Izmantojot attosekunžu lāzerus, zinātnieki iegūst vēl nebijušu spēju rūpīgi izpētīt un manipulēt ar sarežģīto elektronu dinamiku atomu struktūrās, līdzīgi kā kadrs pa kadram palēninātas kustības atkārtojums kinematogrāfiskā secībā, tādējādi iedziļinoties to mijiedarbībā.

Attosekundes lāzeriir zinātnieku plašu pētījumu un saskaņotu centienu kulminācija, kuri ir izmantojuši nelineārās optikas principus, lai radītu īpaši ātrus lāzerus. To parādīšanās ir sniegusi mums novatorisku skatupunktu dinamisko procesu novērošanai un izpētei, kas notiek atomos, molekulās un pat elektronos cietos materiālos.

Lai noskaidrotu attosekunžu lāzeru būtību un novērtētu to netradicionālās īpašības salīdzinājumā ar parastajiem lāzeriem, ir obligāti jāizpēta to kategorizācija plašākā "lāzeru saimē". Klasifikācija pēc viļņa garuma novieto attosekunžu lāzerus galvenokārt ultravioletā līdz mīksto rentgenstaru frekvenču diapazonā, kas norāda uz to ievērojami īsākiem viļņu garumiem salīdzinājumā ar parastajiem lāzeriem. Runājot par izejas režīmiem, attosekunžu lāzeri ietilpst impulsa lāzeru kategorijā, kam raksturīgs ārkārtīgi īss impulsa ilgums. Lai skaidrāk varētu iztēloties analoģiju, nepārtrauktas darbības lāzerus var iedomāties kā lukturīti, kas izstaro nepārtrauktu gaismas staru, savukārt impulsa lāzeri atgādina stroboskopisku gaismu, kas ātri mainās starp apgaismojuma un tumsas periodiem. Būtībā attosekunžu lāzeriem ir raksturīga pulsējoša uzvedība apgaismojuma un tumsas apstākļos, tomēr to pāreja starp abiem stāvokļiem notiek pārsteidzošā frekvencē, sasniedzot attosekundes.

Turpmāka kategorizācija pēc jaudas lāzerus iedala zemas jaudas, vidējas jaudas un augstas jaudas kategorijās. Attosekundes lāzeri sasniedz augstu maksimālo jaudu, pateicoties to ārkārtīgi īsajam impulsa ilgumam, kā rezultātā tiem ir izteikta maksimālā jauda (P), kas definēta kā enerģijas intensitāte laika vienībā (P=W/t). Lai gan atsevišķiem attosekundes lāzera impulsiem var nebūt ārkārtīgi liela enerģija (W), to saīsinātais laika ilgums (t) piešķir tiem paaugstinātu maksimālo jaudu.

Runājot par pielietojuma jomām, lāzeri aptver plašu spektru, kas ietver rūpnieciskus, medicīniskus un zinātniskus pielietojumus. Attosekundes lāzeri galvenokārt atrod savu nišu zinātniskās pētniecības jomā, jo īpaši strauji attīstošu parādību izpētē fizikas un ķīmijas jomās, piedāvājot ieskatu mikrokosmiskās pasaules straujajos dinamiskajos procesos.

Kategorizācija pēc lāzera vides iedala lāzerus gāzes lāzeros, cietvielu lāzeros, šķidruma lāzeros un pusvadītāju lāzeros. Attosekundes lāzeru ģenerēšana parasti ir atkarīga no gāzes lāzera vides, izmantojot nelineārus optiskos efektus, lai radītu augstas kārtas harmonikas.

Rezumējot, attosekundes lāzeri veido unikālu īso impulsu lāzeru klasi, kam raksturīgs ārkārtīgi īss impulsu ilgums, ko parasti mēra attosekundēs. Tā rezultātā tie ir kļuvuši par neaizstājamiem instrumentiem elektronu īpaši ātro dinamisko procesu novērošanai un kontrolei atomos, molekulās un cietos materiālos.

Attosekundes lāzera ģenerēšanas sarežģītais process

Attosekundes lāzera tehnoloģija ir zinātnisko inovāciju priekšgalā, lepojoties ar intriģējoši stingru nosacījumu kopumu tās ģenerēšanai. Lai izskaidrotu attosekundes lāzera ģenerēšanas sarežģījumus, mēs sākam ar kodolīgu tās pamatprincipu izklāstu, kam seko spilgtas metaforas, kas aizgūtas no ikdienas pieredzes. Lasītājiem, kas nav pazīstami ar attiecīgās fizikas sarežģījumiem, nav jākrīt izmisumā, jo sekojošās metaforas ir paredzētas, lai padarītu attosekundes lāzera pamatfiziku pieejamu.

Attosekundes lāzeru ģenerēšanas process galvenokārt balstās uz tehniku, kas pazīstama kā augstas harmonikas ģenerēšana (HHG). Pirmkārt, augstas intensitātes femtosekundes (10^-15 sekundes) lāzera impulsu stars tiek cieši fokusēts uz gāzveida mērķa materiālu. Jāatzīmē, ka femtosekundes lāzeriem, līdzīgiem attosekundes lāzeriem, ir raksturīgas īsas impulsu ilguma un augstas maksimālās jaudas īpašības. Intensīvā lāzera lauka ietekmē gāzes atomos esošie elektroni uz brīdi atbrīvojas no to atomu kodoliem, īslaicīgi nonākot brīvo elektronu stāvoklī. Kad šie elektroni svārstās, reaģējot uz lāzera lauku, tie galu galā atgriežas pie saviem mātes atomu kodoliem un rekombinējas ar tiem, radot jaunus augstas enerģijas stāvokļus.

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

Šo jaunizveidoto augstas enerģijas fotonu frekvences ir sākotnējās lāzera frekvences veselu skaitļu daudzkārtņi, veidojot to, ko sauc par augstas kārtas harmonikām, kur "harmonikas" apzīmē frekvences, kas ir sākotnējās frekvences veseli skaitļu daudzkārtņi. Lai iegūtu attosekundes lāzerus, ir nepieciešams filtrēt un fokusēt šīs augstas kārtas harmonikas, atlasot noteiktas harmonikas un koncentrējot tās fokusa punktā. Ja nepieciešams, impulsu saspiešanas metodes var vēl vairāk saīsināt impulsa ilgumu, iegūstot īpaši īsus impulsus attosekundes diapazonā. Acīmredzot attosekundes lāzeru ģenerēšana ir sarežģīts un daudzšķautņains process, kam nepieciešamas augstas tehniskās prasmes un specializēts aprīkojums.

Lai demistificētu šo sarežģīto procesu, mēs piedāvājam metaforisku paralēli, kas balstīta ikdienas scenārijos:

Augstas intensitātes femtosekundes lāzera impulsi:

Iztēlojieties, ka jums ir ārkārtīgi spēcīga katapulta, kas spēj acumirklī mest akmeņus ar kolosālu ātrumu, līdzīgi kā to dara augstas intensitātes femtosekundes lāzera impulsi.

Gāzveida mērķa materiāls:

Iztēlojieties mierīgu ūdenstilpni, kas simbolizē gāzveida mērķa materiālu, kur katrs ūdens piliens attēlo neskaitāmus gāzes atomus. Akmeņu iedzīšana šajā ūdenstilpnē analoģiski atspoguļo augstas intensitātes femtosekundes lāzera impulsu ietekmi uz gāzveida mērķa materiālu.

Elektronu kustība un rekombinācija (fiziski saukta par pāreju):

Kad femtosekundes lāzera impulsi iedarbojas uz gāzes atomiem gāzveida mērķa materiālā, ievērojams skaits ārējo elektronu uz brīdi tiek ierosināti līdz stāvoklim, kurā tie atdalās no attiecīgajiem atomu kodoliem, veidojot plazmai līdzīgu stāvokli. Sistēmas enerģijai samazinoties (jo lāzera impulsi pēc būtības ir pulsējoši, ar pārtraukumiem), šie ārējie elektroni atgriežas atomu kodolu tuvumā, atbrīvojot augstas enerģijas fotonus.

Augstas harmonikas ģenerēšana:

Iedomājieties, ka katru reizi, kad ūdens piliens nokrīt atpakaļ uz ezera virsmas, tas rada viļņošanos, līdzīgi kā augstas harmonikas attosekundes lāzeros. Šīm viļņošanās frekvencēm un amplitūdām ir augstākas frekvences un amplitūdas nekā sākotnējām viļņošanās, ko rada primārais femtosekundes lāzera impulss. HHG procesa laikā spēcīgs lāzera stars, kas atgādina nepārtraukti mestus akmeņus, apgaismo gāzes mērķi, kas atgādina ezera virsmu. Šis intensīvais lāzera lauks dzen elektronus gāzē, analogi viļņošanās procesiem, prom no to mātes atomiem un pēc tam tos velk atpakaļ. Katru reizi, kad elektrons atgriežas pie atoma, tas izstaro jaunu lāzera staru ar augstāku frekvenci, līdzīgi kā sarežģītāki viļņošanās raksti.

Filtrēšana un fokusēšana:

Apvienojot visus šos jaunizveidotos lāzera starus, tiek iegūts dažādu krāsu (frekvenču vai viļņu garumu) spektrs, no kuriem daži veido attosekundes lāzeru. Lai izolētu noteiktus pulsācijas izmērus un frekvences, var izmantot specializētu filtru, līdzīgi kā atlasīt vēlamās pulsācijas, un izmantot palielināmo stiklu, lai fokusētu tās uz noteiktu laukumu.

Pulsa saspiešana (ja nepieciešams):

Ja vēlaties ātrāk un īsāk izplatīt viļņus, varat paātrināt to izplatīšanos, izmantojot specializētu ierīci, tādējādi samazinot katra viļņa ilgumu. Attosekundes lāzeru ģenerēšana ietver sarežģītu procesu mijiedarbību. Tomēr, sadalot un vizualizējot, tā kļūst saprotamāka.