Wieczorem 3 października 2023 r. wieczorem 3 października 2023 r. uroczyście ogłoszono, że przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2023 w uznaniu wybitnego wkładu trzech naukowców, którzy odegrali kluczową rolę jako pionierzy w dziedzinie technologii laserów attosekundowych.

Termin „laser attosekundowy” wywodzi swoją nazwę od niewiarygodnie krótkiej skali czasu, w której działa, konkretnie rzędu attosekund, co odpowiada 10^-18 sekundom. Aby uchwycić głębokie znaczenie tej technologii, najważniejsze jest podstawowe zrozumienie tego, co oznacza attosekunda. Attosekunda to niezwykle drobna jednostka czasu, stanowiąca jedną miliardową miliardowej części sekundy w szerszym kontekście jednej sekundy. Dla porównania, gdybyśmy porównali sekundę do wysokiej góry, attosekunda byłaby podobna do pojedynczego ziarenka piasku położonego u podstawy góry. W tym ulotnym odstępie czasowym nawet światło ledwo może pokonać odległość równą rozmiarowi pojedynczego atomu. Dzięki wykorzystaniu laserów attosekundowych naukowcy zyskują bezprecedensową możliwość badania i manipulowania skomplikowaną dynamiką elektronów w strukturach atomowych, co przypomina odtwarzanie klatka po klatce w zwolnionym tempie w sekwencji kinowej, zagłębiając się w ten sposób w ich wzajemne oddziaływanie.

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

Aby wyjaśnić naturę laserów attosekundowych i docenić ich niekonwencjonalne cechy 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 miękkiego promieniowania rentgenowskiego, 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 wyjątkowo krótkim czasem trwania impulsu. Aby narysować analogię dla przejrzystości, można wyobrazić sobie lasery o fali ciągłej podobne do latarki emitującej ciągłą wiązkę światła, podczas gdy lasery impulsowe przypominają światło stroboskopowe, szybko zmieniające się pomiędzy okresami oświetlenia i ciemności. Zasadniczo lasery attosekundowe wykazują zachowanie pulsacyjne w oświetleniu i ciemności, jednak ich przejście między dwoma stanami następuje z zadziwiającą częstotliwością, sięgającą sfery attosekund.

Dalsza kategoryzacja według mocy dzieli lasery na przedziały małej mocy, średniej mocy i dużej mocy. Lasery attosekundowe osiągają wysoką moc szczytową dzięki wyjątkowo krótkiemu czasowi trwania impulsu, co skutkuje wyraźną mocą szczytową (P) – zdefiniowaną jako intensywność energii w jednostce czasu (P=W/t). Chociaż pojedyncze attosekundowe impulsy laserowe 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 przede wszystkim w badaniach naukowych, szczególnie w eksploracji szybko zmieniających się zjawisk w dziedzinie fizyki i chemii, oferując wgląd w szybkie, dynamiczne procesy zachodzące w mikrokosmicznym świecie.

Klasyfikacja według ośrodka laserowego dzieli lasery na lasery gazowe, lasery na ciele stałym, lasery cieczowe i lasery półprzewodnikowe. Generacja laserów attosekundowych opiera się zazwyczaj na nośnikach lasera gazowego, wykorzystując nieliniowe efekty optyczne do generowania harmonicznych wyższego rzędu.

Podsumowując, lasery attosekundowe stanowią wyjątkową klasę laserów krótkoimpulsowych, wyróżniającą się wyjątkowo 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 wytwarzania lasera attosekundowego

Technologia lasera attosekundowego stoi na czele innowacji naukowych i może poszczycić się intrygująco rygorystycznymi warunkami jej wytwarzania. Aby wyjaśnić zawiłości generacji lasera attosekundowego, zaczynamy od zwięzłego przedstawienia podstawowych zasad, po których następuje żywe metafory wywodzące się z codziennych doświadczeń. Czytelnicy niezaznajomieni z zawiłościami odpowiedniej fizyki nie muszą rozpaczać, ponieważ poniższe metafory mają na celu przybliżenie podstawowej fizyki laserów attosekundowych.

Proces generowania laserów attosekundowych opiera się głównie na technice znanej jako generowanie wysokich harmonicznych (HHG). Po pierwsze, wiązka femtosekundowych impulsów laserowych o dużej intensywności (10^-15 sekund) jest ściśle skupiana na gazowym materiale docelowym. Warto zauważyć, że lasery femtosekundowe, podobnie jak lasery attosekundowe, mają wspólną cechę: krótki czas trwania impulsu i wysoką moc szczytową. Pod wpływem intensywnego pola laserowego elektrony w atomach gazu zostają chwilowo uwolnione z jąder atomowych, przejściowo przechodząc w stan wolnych elektronów. Gdy elektrony oscylują w odpowiedzi na pole laserowe, w końcu powracają do swoich macierzystych jąder atomowych i łączą się z nimi ponownie, tworząc nowe stany o wysokiej energii.

Podczas tego procesu elektrony poruszają się z niezwykle dużymi prędkościami, a po rekombinacji z jądrami atomowymi uwalniają dodatkową energię w postaci emisji wysokich harmonicznych, objawiających się fotonami o wysokiej energii.

Częstotliwości tych nowo wygenerowanych fotonów o wysokiej energii są całkowitymi wielokrotnościami pierwotnej częstotliwości lasera, tworząc tak zwane harmoniczne wyższego rzędu, gdzie „harmoniczne” oznaczają częstotliwości będące całkowitymi wielokrotnościami częstotliwości pierwotnej. 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, uzyskując ultrakrótkie impulsy w zakresie attosekund. Nie ulega wątpliwości, że wytwarzanie laserów attosekundowych jest procesem skomplikowanym i wieloaspektowym, wymagającym dużej sprawności technicznej i specjalistycznego sprzętu.

Aby rozjaśnić ten skomplikowany proces, oferujemy metaforyczną paralelę zakorzenioną w codziennych scenariuszach:

Impulsy lasera femtosekundowego o wysokiej intensywności:

Wyobraź sobie, że posiada wyjątkowo potężną katapultę zdolną do natychmiastowego miotania kamieni z kolosalną prędkością, podobną do roli odgrywanej przez femtosekundowe impulsy laserowe o dużej intensywności.

Gazowy materiał docelowy:

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

Ruch elektronów i rekombinacja (fizycznie określane przejście):

Kiedy femtosekundowe impulsy lasera uderzają w atomy gazu w gazowym materiale tarczy, znaczna liczba zewnętrznych elektronów zostaje chwilowo wzbudzona do stanu, w którym odłączają się od odpowiednich jąder atomowych, tworząc stan podobny do plazmy. W miarę późniejszego zmniejszania się energii układu (ponieważ impulsy laserowe są z natury pulsacyjne i charakteryzują się przerwami w działaniu), 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, tworzą się zmarszczki, podobne do wysokich harmonicznych w laserach attosekundowych. Tętnienia te mają wyższe częstotliwości i amplitudy niż pierwotne tętnienia powodowane przez główny impuls lasera femtosekundowego. Podczas procesu HHG potężna wiązka lasera, przypominająca ciągłe rzucanie kamieni, oświetla cel gazowy, przypominający powierzchnię jeziora. To intensywne pole laserowe wypycha elektrony w gazie, analogicznie do zmarszczek, od ich atomów macierzystych, a następnie przyciąga je z powrotem. Za każdym razem, gdy elektron powraca do atomu, emituje nową wiązkę lasera o wyższej częstotliwości, podobnej do bardziej skomplikowanych wzorów tętnienia.

Filtrowanie i ustawianie ostrości:

Połączenie wszystkich nowo wygenerowanych wiązek laserowych daje spektrum różnych kolorów (częstotliwości lub długości fal), z których część stanowi laser attosekundowy. Aby wyizolować określone rozmiary i częstotliwości tętnienia, można zastosować specjalistyczny filtr, podobny do wybierania pożądanych zmarszczek, i użyć szkła powiększającego, aby skupić je na określonym obszarze.

Kompresja impulsu (jeśli to konieczne):

Jeżeli zależy Ci na szybszej i krótszej propagacji zmarszczek, możesz przyspieszyć ich propagację za pomocą specjalistycznego urządzenia, skracając czas trwania każdego zmarszczek. Generowanie laserów attosekundowych wiąże się ze złożoną współzależnością procesów. Jednak rozbite i zwizualizowane staje się bardziej zrozumiałe.