Wieczorem 3 października 2023 r. ogłoszono doniosłe wydarzenie, podczas którego ogłoszono Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2023. Nagroda ta ma na celu docenienie wybitnego wkładu trzech naukowców, którzy odegrali kluczową rolę jako pionierzy w dziedzinie technologii laserów attosekundowych.

Termin „laser attosekundowy” wywodzi swoją nazwę od niezwykle krótkiej skali czasowej, w której działa, konkretnie rzędu attosekund, odpowiadającej 10^-18 sekundom. Aby pojąć głębokie znaczenie tej technologii, podstawowe zrozumienie tego, co oznacza attosekunda, jest najważniejsze. Attosekunda to niezwykle mała jednostka czasu, stanowiąca jedną miliardową miliardowej sekundy w szerszym kontekście pojedynczej sekundy. Aby to ująć w perspektywie, gdybyśmy mieli porównać sekundę do wznoszącej się góry, attosekunda byłaby podobna do pojedynczego ziarnka piasku zagnieżdżonego u podstawy góry. W tym ulotnym przedziale czasowym nawet światło może zaledwie pokonać odległość równą rozmiarowi pojedynczego atomu. Dzięki wykorzystaniu laserów attosekundowych naukowcy zyskują bezprecedensową możliwość badania i manipulowania skomplikowaną dynamiką elektronów w strukturach atomowych, podobną do odtwarzania klatki po klatce w zwolnionym tempie w sekwencji filmowej, zagłębiając się w ich wzajemne oddziaływanie.

Lasery attosekundowestanowią kulminację szeroko zakrojonych badań i wspólnych wysiłków naukowców, którzy wykorzystali zasady optyki nieliniowej do stworzenia ultrakrótkich laserów. Ich pojawienie się dało nam innowacyjny punkt widzenia do obserwacji i eksploracji procesów dynamicznych zachodzących w atomach, cząsteczkach, a nawet elektronach w materiałach stałych.

Aby wyjaśnić naturę laserów attosekundowych i docenić ich niekonwencjonalne atrybuty w porównaniu z laserami konwencjonalnymi, konieczne jest zbadanie ich kategoryzacji w ramach szerszej „rodziny laserów”. Klasyfikacja według długości fali umieszcza lasery attosekundowe głównie w zakresie częstotliwości od ultrafioletu do miękkich promieni rentgenowskich, co oznacza ich znacznie krótsze długości fal w porównaniu z laserami konwencjonalnymi. Pod względem trybów wyjściowych lasery attosekundowe należą do kategorii laserów impulsowych, charakteryzujących się niezwykle krótkim czasem trwania impulsu. Aby narysować analogię dla jasności, można sobie wyobrazić lasery o fali ciągłej jako podobne do latarki emitującej ciągłą wiązkę światła, podczas gdy lasery impulsowe przypominają światło stroboskopowe, szybko zmieniające się między okresami oświetlenia i ciemności. W istocie lasery attosekundowe wykazują pulsujące zachowanie w oświetleniu i ciemności, jednak ich przejście między tymi dwoma stanami następuje z zadziwiającą częstotliwością, osiągając obszar attosekund.

Dalsza kategoryzacja według mocy umieszcza lasery w przedziałach niskiej, średniej i wysokiej mocy. Lasery attosekundowe osiągają wysoką moc szczytową ze względu na niezwykle krótkie czasy trwania impulsów, co skutkuje wyraźną mocą szczytową (P) – zdefiniowaną jako intensywność energii na jednostkę czasu (P=W/t). Chociaż poszczególne impulsy lasera attosekundowego mogą nie posiadać wyjątkowo dużej energii (W), ich skrócony zasięg czasowy (t) nadaje im podwyższoną moc szczytową.

Jeśli chodzi o dziedziny zastosowań, lasery obejmują spektrum obejmujące zastosowania przemysłowe, medyczne i naukowe. Lasery attosekundowe znajdują swoją niszę głównie w dziedzinie badań naukowych, szczególnie w eksploracji szybko ewoluujących zjawisk w dziedzinach fizyki i chemii, oferując okno na szybkie procesy dynamiczne mikrokosmosu.

Podział według ośrodka laserowego dzieli lasery na lasery gazowe, lasery ciała stałego, lasery ciekłe i lasery półprzewodnikowe. Generowanie laserów attosekundowych zwykle opiera się na ośrodkach laserów gazowych, wykorzystując nieliniowe efekty optyczne do generowania harmonicznych wyższego rzędu.

Podsumowując, lasery attosekundowe stanowią unikalną klasę laserów krótkoimpulsowych, wyróżniających się niezwykle krótkim czasem trwania impulsu, zwykle mierzonym w attosekundach. W rezultacie stały się niezbędnymi narzędziami do obserwacji i kontrolowania ultraszybkich procesów dynamicznych elektronów w atomach, cząsteczkach i materiałach stałych.

Skomplikowany proces generowania lasera attosekundowego

Technologia laserów attosekundowych stoi na czele innowacji naukowych, szczycąc się intrygująco rygorystycznym zestawem warunków dla jej generacji. Aby wyjaśnić zawiłości generacji laserów attosekundowych, zaczynamy od zwięzłego przedstawienia jej podstawowych zasad, po czym następują żywe metafory zaczerpnięte z codziennych doświadczeń. Czytelnicy nieobeznani ze zawiłościami odpowiedniej fizyki nie muszą tracić nadziei, ponieważ następujące metafory mają na celu udostępnienie podstawowej fizyki laserów attosekundowych.

Proces generowania laserów attosekundowych opiera się przede wszystkim na technice znanej jako High Harmonic Generation (HHG). Po pierwsze, wiązka impulsów laserowych o wysokiej intensywności femtosekundowej (10^-15 sekund) jest ściśle skupiona na gazowym materiale docelowym. Warto zauważyć, że lasery femtosekundowe, podobnie jak lasery attosekundowe, mają takie same cechy jak krótkie czasy trwania impulsów i wysoka moc szczytowa. Pod wpływem intensywnego pola laserowego elektrony w atomach gazu są chwilowo uwalniane ze swoich jąder atomowych, przejściowo wchodząc w stan swobodnych elektronów. Gdy te elektrony oscylują w odpowiedzi na pole laserowe, ostatecznie wracają i rekombinują ze swoimi macierzystymi jądrami atomowymi, tworząc nowe stany o wysokiej energii.

Podczas tego procesu elektrony poruszają się z niezwykle dużą prędkością i po połączeniu z jądrami atomowymi uwalniają dodatkową energię w postaci emisji wysokich harmonicznych, objawiających się jako fotony o wysokiej energii.

Częstotliwości tych nowo generowanych fotonów o wysokiej energii są całkowitymi wielokrotnościami oryginalnej częstotliwości lasera, tworząc to, co nazywa się harmonicznymi wyższego rzędu, gdzie „harmoniczne” oznaczają częstotliwości, które są całkowitymi wielokrotnościami oryginalnej częstotliwości. Aby uzyskać lasery attosekundowe, konieczne staje się filtrowanie i skupianie tych harmonicznych wyższego rzędu, wybieranie określonych harmonicznych i koncentrowanie ich w punkcie ogniskowym. W razie potrzeby techniki kompresji impulsów mogą dodatkowo skrócić czas trwania impulsu, dając ultrakrótkie impulsy w zakresie attosekund. Oczywiste jest, że generowanie laserów attosekundowych stanowi wyrafinowany i wieloaspektowy proces, wymagający wysokiego stopnia sprawności technicznej i specjalistycznego sprzętu.

Aby obalić mit tego skomplikowanego procesu, proponujemy metaforyczną paralelę opartą na codziennych scenariuszach:

Impulsy lasera femtosekundowego o wysokiej intensywności:

Wyobraź sobie, że posiadasz niezwykle potężną katapultę zdolną do błyskawicznego wyrzucania kamieni z kolosalną prędkością, podobną do tej, jaką odgrywają impulsy lasera femtosekundowego o wysokiej intensywności.

Materiał docelowy gazowy:

Wyobraź sobie spokojny zbiornik wodny, który symbolizuje gazowy materiał docelowy, gdzie każda kropla wody reprezentuje niezliczone atomy gazu. Akt wrzucania kamieni do tego zbiornika wodnego analogicznie odzwierciedla wpływ impulsów lasera femtosekundowego o wysokiej intensywności na gazowy materiał docelowy.

Ruch elektronów i rekombinacja (fizycznie określana jako przejście):

Gdy femtosekundowe impulsy laserowe uderzają w atomy gazu w gazowym materiale docelowym, znaczna liczba zewnętrznych elektronów zostaje chwilowo wzbudzona do stanu, w którym odłączają się od swoich jąder atomowych, tworząc stan podobny do plazmy. W miarę jak energia układu następnie maleje (ponieważ impulsy laserowe są z natury impulsowe, charakteryzujące się przerwami), te zewnętrzne elektrony powracają w pobliże jąder atomowych, uwalniając fotony o wysokiej energii.

Generowanie wysokich harmonicznych:

Wyobraź sobie, że za każdym razem, gdy kropla wody spada z powrotem na powierzchnię jeziora, tworzy fale, podobnie jak wysokie harmoniczne w laserach attosekundowych. Fale te mają wyższe częstotliwości i amplitudy niż pierwotne fale spowodowane przez pierwotny impuls lasera femtosekundowego. Podczas procesu HHG potężna wiązka lasera, podobna do ciągłego rzucania kamieniami, oświetla cel gazowy, przypominający powierzchnię jeziora. To intensywne pole laserowe wypycha elektrony w gazie, analogicznie do fal, z dala od ich macierzystych atomów, a następnie przyciąga je z powrotem. Za każdym razem, gdy elektron powraca do atomu, emituje nową wiązkę lasera o wyższej częstotliwości, podobną do bardziej złożonych wzorów fal.

Filtrowanie i ustawianie ostrości:

Połączenie wszystkich tych nowo wygenerowanych wiązek laserowych daje widmo różnych kolorów (częstotliwości lub długości fal), z których niektóre stanowią laser attosekundowy. Aby wyizolować określone rozmiary i częstotliwości falowania, możesz użyć specjalistycznego filtra, podobnego do wybierania pożądanych falowań, i użyć szkła powiększającego, aby skupić je na określonym obszarze.

Kompresja tętna (jeśli konieczna):

Jeśli chcesz rozprzestrzeniać fale szybciej i krócej, możesz przyspieszyć ich rozprzestrzenianie za pomocą specjalistycznego urządzenia, skracając czas trwania każdej fali. Generowanie laserów attosekundowych wiąże się ze złożoną współzależnością procesów. Jednak po rozbiciu i zwizualizowaniu staje się to bardziej zrozumiałe.