Нобелевская премия по физике 2023 года. Электроны в импульсах света
В своих экспериментах лауреаты этого года создали достаточно короткие вспышки света, чтобы сделать снимки чрезвычайно быстрого движения электронов. Анна Л'юилье открыла новый эффект взаимодействия лазерного излучения с атомами в газе. Пьер Агостини и Ференц Крауш продемонстрировали, что этот эффект может быть использован для создания более коротких импульсов света, чем это было возможно ранее.
Крошечная колибри может биться крыльями 80 раз в секунду. Мы воспринимаем это только как жужжание и размытое движение. Для человеческих органов чувств быстрые движения расплываются, и очень короткие события невозможно уловить. Чтобы запечатлеть или изобразить эти короткие мгновения, приходится прибегать к технологическим ухищрениям.
Высокоскоростная фотосъемка и стробоскопическое освещение позволяют получать детальные изображения явлений, связанных с полетами. Для получения высокофокусной фотографии дерущейся птицы требуется выдержка, которая значительно короче одного взмаха крыла. Чем быстрее событие, тем быстрее должен быть сделан снимок, чтобы запечатлеть это мгновение.
Тот же принцип применим ко всем методам измерения или изображения быстрых процессов: любое измерение должно проводиться быстрее, чем время, необходимое для заметного изменения изучаемой системы, иначе результат будет расплывчатым. Лауреаты этого года провели эксперименты, в которых продемонстрировали метод получения импульсов света, достаточно коротких для того, чтобы запечатлеть процессы внутри атомов и молекул.
Естественная временная шкала атомов невероятно коротка. В молекуле атомы могут двигаться и поворачиваться за миллионные доли миллиардной доли секунд, фемтосекунды. Эти движения можно изучать с помощью самых коротких импульсов, которые можно получить с помощью лазера, но, когда движутся целые атомы, временные масштабы определяются их большими и тяжелыми ядрами, которые чрезвычайно медлительны по сравнению с легкими и проворными электронами. Когда электроны перемещаются внутри атомов или молекул, они делают это настолько быстро, что изменения размываются за фемтосекунды. В мире электронов положение и энергия изменяются со скоростью от одной до нескольких сотен аттосекунд, где аттосекунда — это одна миллиардная часть миллиардной доли секунды.
Аттосекунда настолько мала, что их количество за одну секунду равно количеству секунд, прошедших с момента возникновения Вселенной 13,8 млрд. лет назад. В более близком к реальности масштабе мы можем представить себе вспышку света, направленную из одного конца комнаты к противоположной стене, — это займет десять миллиардов аттосекунд.
Фемтосекунда долгое время считалась пределом для световых вспышек, которые можно было произвести. Для того чтобы увидеть процессы, происходящие за удивительно короткое время с участием электронов, недостаточно было усовершенствовать существующую технологию, требовалось что-то совершенно новое. Лауреаты этого года провели эксперименты, которые открыли новую область исследований — аттосекундную физику.
Более короткие импульсы с помощью высоких обертонов
Свет состоит из волн — колебаний электрических и магнитных полей, которые движутся в вакууме быстрее, чем что-либо другое. Они имеют разную длину волны, что соответствует разным цветам. Например, длина волны красного света составляет около 700 нанометров, т.е. одну сотую ширины волоса, и он совершает цикл с частотой около четырехсот тридцати тысяч миллиардов раз в секунду. Мы можем считать, что самый короткий импульс света — это длина одного периода световой волны, цикл, в котором она поднимается до пика, опускается до впадины и возвращается в исходную точку. В данном случае длина волны, используемая в обычных лазерных системах, никогда не может быть меньше фемтосекунды, поэтому в 1980-х годах этот показатель рассматривался как жесткий предел для самых коротких возможных вспышек света.
Математика, описывающая волны, показывает, что можно построить любую форму волны, если использовать достаточное количество волн нужных размеров, длин волн и амплитуд (расстояний между пиками и впадинами). Хитрость аттосекундных импульсов заключается в том, что можно создавать более короткие импульсы, комбинируя все более короткие длины волн.
Для наблюдения за движением электронов в атомном масштабе требуются достаточно короткие импульсы света, а это значит, что нужно комбинировать короткие волны разных длин волн.
Чтобы добавить новые длины волн к свету, необходим не только лазер; ключом к получению доступа к самому короткому из когда-либо изученных мгновений служит явление, возникающее при прохождении лазерного излучения через газ. Свет взаимодействует с его атомами и вызывает обертоны — волны, в которых на каждый цикл исходной волны приходится несколько целых циклов. Это можно сравнить с обертонами, которые придают звуку особый характер, позволяя услышать разницу между одной и той же нотой, сыгранной на гитаре и фортепиано.
В 1987 г. Анне Л'Юилье и ее коллегам из французской лаборатории удалось получить и продемонстрировать обертоны с помощью инфракрасного лазерного луча, пропущенного через инертный газ. Инфракрасное излучение вызывало больше обертонов, чем лазер с меньшей длиной волны, который использовался в предыдущих экспериментах. В этом эксперименте наблюдалось множество обертонов примерно одинаковой интенсивностью.
В серии статей Л'Юилье продолжила изучение этого эффекта в 1990-е годы, в том числе и на новом месте работы — в Лундском университете. Полученные ею результаты способствовали теоретическому пониманию этого явления и заложили основу для следующего экспериментального прорыва.
Убегающие электроны создают обертоны
Когда лазерное излучение попадает в газ и воздействует на его атомы, оно вызывает электромагнитные колебания, искажающие электрическое поле, удерживающее электроны вокруг атомного ядра. В результате электроны могут покинуть атомы. Однако электрическое поле света вибрирует непрерывно, и при изменении его направления свободный электрон может устремиться обратно к ядру атома. За время своего путешествия электрон собрал много дополнительной энергии от электрического поля лазерного излучения и, чтобы вновь прикрепиться к ядру, должен отдать свою избыточную энергию в виде импульса света. Эти световые импульсы электронов и создают обертоны, которые появляются в экспериментах.
Лазерное излучение взаимодействует с атомами в газе
Энергия света связана с длиной его волны. Энергия излучаемых обертонов эквивалентна ультрафиолетовому излучению, которое имеет меньшую длину волны, чем свет, видимый человеческим глазом. Поскольку энергия исходит от колебаний лазерного излучения, колебания обертонов будут пропорциональны длине волны исходного лазерного импульса. В результате взаимодействия света с множеством различных атомов образуются различные световые волны с определенным набором длин волн.
Когда эти обертоны существуют, они взаимодействуют друг с другом. Свет становится более интенсивным при совпадении пиков световых волн и менее интенсивным при совпадении пика одного цикла с впадиной другого. При удачном стечении обстоятельств обертоны совпадают так, что возникает серия импульсов ультрафиолетового света, каждый из которых длится несколько сотен аттосекунд. Физики поняли теорию этого явления еще в 1990-х годах, но прорыв в реальной идентификации и тестировании импульсов произошел в 2001 году.
Пьеру Агостини и его исследовательской группе во Франции удалось получить и исследовать серию последовательных световых импульсов, подобно поезду с вагонами. Они использовали особый прием, поместив «поезд импульсов» вместе с задержанной частью исходного лазерного импульса, чтобы увидеть, как обертоны находятся в фазе друг с другом. Эта процедура также позволила измерить длительность импульсов в «поезде», и оказалось, что каждый импульс длится всего 250 аттосекунд.
В то же время Ференц Крауш и его исследовательская группа в Австрии работали над методикой выделения одиночного импульса — например, когда вагон отцепляют от поезда и переводят на другой путь. Импульс, который удалось выделить, длился 650 аттосекунд, и группа использовала его для отслеживания и изучения процесса, в ходе которого электроны отрывались от атомов.
Эти эксперименты показали, что аттосекундные импульсы можно наблюдать и измерять, а также использовать в новых экспериментах.
Теперь, когда мир аттосекундных импульсов стал доступным, эти короткие вспышки света можно использовать для изучения движения электронов. В настоящее время существует возможность получения импульсов длительностью всего несколько десятков аттосекунд, и эта технология постоянно развивается.
Движение электронов стало понятнее
Аттосекундные импульсы позволяют измерить время отрыва электрона от атома и изучить, как это время зависит от того, насколько прочно электрон связан с ядром атома. Можно восстановить, как распределение электронов колеблется из стороны в сторону или от места к месту в молекулах и материалах; ранее их положение можно было измерить только как среднее.
Аттосекундные импульсы можно использовать для проверки внутренних процессов в веществе и для идентификации различных событий. Эти импульсы были использованы для изучения детальной физики атомов и молекул и имеют потенциальное применение в различных областях — от электроники до медицины.
Например, аттосекундные импульсы можно использовать для толчка молекул, которые излучают измеряемый сигнал. Сигнал от молекул имеет особую структуру, своего рода отпечаток пальца, по которому можно определить, что это за молекула, и это может найти применение в медицинской диагностике.
Шведская королевская академия наук приняла решение присудить Нобелевскую премию по физике за 2023 год
ПЬЕР АГОСТИНИ | ФЕРЕНЦ КРАУШ | АННА Л'ЮИЛЬЕ |
«За экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе».
