W doniosłej uroczystości, która odbyła się wieczorem 3 października 2023 r., ogłoszono Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2023. Nagroda ta została przyznana trzem naukowcom, którzy odegrali kluczową rolę jako pionierzy w dziedzinie technologii laserów attosekundowych.

Termin „laser attosekundowy” zawdzięcza swoją nazwę niezwykle krótkiej skali czasowej, w której działa, a konkretnie rzędu attosekund, odpowiadającej 10^-18 sekundom. Aby pojąć głębokie znaczenie tej technologii, kluczowe jest fundamentalne zrozumienie znaczenia attosekundy. Attosekunda to niezwykle krótka jednostka czasu, stanowiąca jedną miliardową miliardowej sekundy w szerszym kontekście jednej sekundy. Dla zobrazowania tego, gdybyśmy porównali sekundę do majestatycznej góry, attosekunda byłaby niczym pojedyncze ziarnko piasku u jej podnóża. W tym ulotnym interwale czasowym nawet światło może pokonać odległość równą rozmiarom pojedynczego atomu. Dzięki wykorzystaniu laserów attosekundowych naukowcy zyskują bezprecedensową możliwość badania i manipulowania złożoną dynamiką elektronów w strukturach atomowych, przypominającą odtwarzanie klatki po klatce w zwolnionym tempie w sekwencji filmowej, zagłębiając się w ten sposób w ich wzajemne oddziaływanie.

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

Aby wyjaśnić naturę laserów attosekundowych i docenić ich niekonwencjonalne właściwości 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. Dla jasności można wyobrazić sobie 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 pulsacyjne zachowanie w czasie oświetlenia i ciemności, jednak ich przejście między tymi dwoma stanami zachodzi z zadziwiającą częstotliwością, sięgającą attosekund.

Dalsza klasyfikacja według mocy dzieli lasery na lasery małej, średniej i dużej mocy. Lasery attosekundowe osiągają wysoką moc szczytową dzięki wyjątkowo krótkim czasom trwania impulsów, co przekłada się na wyraźną moc szczytową (P) – definiowaną jako natężenie energii w jednostce czasu (P = W/t). Chociaż pojedyncze impulsy lasera attosekundowego mogą nie charakteryzować się wyjątkowo dużą energią (W), ich skrócony zasięg czasowy (t) nadaje im podwyższoną moc szczytową.

Jeśli chodzi o dziedziny zastosowań, lasery obejmują spektrum zastosowań przemysłowych, medycznych i naukowych. Lasery attosekundowe znajdują swoją niszę przede wszystkim w dziedzinie badań naukowych, w szczególności w badaniu szybko ewoluujących zjawisk w dziedzinie fizyki i chemii, oferując wgląd w dynamiczne procesy mikrokosmosu.

Podział laserów według ośrodka laserowego dzieli je na lasery gazowe, lasery na ciele stałym, lasery cieczowe i lasery półprzewodnikowe. Generowanie laserów attosekundowych zazwyczaj opiera się na ośrodkach 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, mierzonym zazwyczaj w attosekundach. W rezultacie stały się one niezbędnymi narzędziami do obserwacji i kontrolowania ultraszybkich procesów dynamicznych elektronów w atomach, cząsteczkach i ciałach stałych.

Skomplikowany proces generacji lasera attosekundowego

Technologia laserów attosekundowych stoi na czele innowacji naukowych, charakteryzując się intrygująco rygorystycznym zestawem warunków jej wytwarzania. Aby wyjaśnić zawiłości generacji laserów attosekundowych, zaczynamy od zwięzłego omówienia jej podstawowych zasad, a następnie przedstawiamy sugestywne metafory zaczerpnięte z codziennych doświadczeń. Czytelnicy nieznający zawiłości fizyki nie muszą się martwić, ponieważ poniższe metafory mają na celu przybliżenie podstawowych zasad fizyki laserów attosekundowych.

Proces generacji laserów attosekundowych opiera się głównie na technice znanej jako generacja wysokich harmonicznych (HHG). Najpierw wiązka impulsów laserowych o wysokiej intensywności (10^-15 sekund) jest ściśle skupiana na gazowym materiale docelowym. Warto zauważyć, że lasery femtosekundowe, podobnie jak lasery attosekundowe, charakteryzują się krótkim czasem trwania impulsu i wysoką mocą szczytową. Pod wpływem silnego pola laserowego elektrony w atomach gazu są chwilowo uwalniane z jąder atomowych, przejściowo przechodząc w stan swobodnych elektronów. W miarę jak elektrony te oscylują w odpowiedzi na pole laserowe, ostatecznie powracają i rekombinują z macierzystymi jądrami atomowymi, tworząc nowe stany o wysokiej energii.

Podczas tego procesu elektrony poruszają się z niezwykle dużą prędkością, a 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 wysokoenergetycznych są całkowitymi wielokrotnościami pierwotnej częstotliwości lasera, tworząc tzw. harmoniczne wyższego rzędu, gdzie „harmoniczne” oznaczają częstotliwości będące całkowitymi wielokrotnościami pierwotnej częstotliwości. Aby uzyskać lasery attosekundowe, konieczne staje się filtrowanie i skupianie tych harmonicznych wyższego rzędu, poprzez selekcję określonych harmonicznych i skupienie ich w punkcie ogniskowym. W razie potrzeby techniki kompresji impulsów mogą dodatkowo skrócić czas trwania impulsu, uzyskując ultrakrótkie impulsy w zakresie attosekund. Oczywiście, generowanie laserów attosekundowych to złożony i wieloaspektowy proces, wymagający wysokiego poziomu wiedzy technicznej i specjalistycznego sprzętu.

Aby zdemistyfikować ten zawiły proces, proponujemy metaforyczną paralelę opartą na codziennych scenariuszach:

Impulsy lasera femtosekundowego o wysokiej intensywności:

Wyobraź sobie, że posiadasz niezwykle potężną katapultę zdolną do błyskawicznego miotania kamieni z kolosalną prędkością, porównywalną z funkcją, 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. Czynność wrzucania kamieni do tego zbiornika wodnego analogicznie odzwierciedla wpływ impulsów lasera femtosekundowego o wysokiej intensywności na gazowy materiał docelowy.

Ruch i rekombinacja elektronów (fizycznie określana jako przejście):

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

Generowanie wysokich harmonicznych:

Wyobraź sobie, że za każdym razem, gdy kropla wody opada z powrotem na powierzchnię jeziora, tworzy zmarszczki, podobne do wysokich harmonicznych w laserach attosekundowych. Te zmarszczki mają wyższe częstotliwości i amplitudy niż pierwotne zmarszczki wywołane przez pierwotny impuls lasera femtosekundowego. Podczas procesu HHG, potężna wiązka laserowa, przypominająca ciągłe rzucanie kamieni, oświetla tarczę gazową, przypominającą powierzchnię jeziora. To intensywne pole laserowe odpycha elektrony w gazie, analogicznie do zmarszczek, od ich macierzystych atomów, a następnie przyciąga je z powrotem. Za każdym razem, gdy elektron powraca do atomu, emituje nową wiązkę laserową o wyższej częstotliwości, przypominającą bardziej złożone wzory zmarszczek.

Filtrowanie i ustawianie ostrości:

Połączenie wszystkich tych nowo wygenerowanych wiązek laserowych daje widmo różnych kolorów (częstotliwości lub długości fal), z których część stanowi laser attosekundowy. Aby wyizolować określone rozmiary i częstotliwości fal, można zastosować specjalistyczny filtr, podobny do wybierania pożądanych fal, i użyć lupy, 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 wymaga złożonej interakcji wielu procesów. Jednak po rozbiciu na czynniki pierwsze i zwizualizowaniu staje się to bardziej zrozumiałe.