В 2023 году Нобелевскую премию по физике получили ученые в области сверхбыстрой «фотографии» субатомного мира. Энн Л’Уилье из Франции придумала способ, как создать ультракороткие лазерные вспышки, а Пьер Агостини из Франции и Ференц Крауш из Австрии независимо друг от друга применили эту технологию на практике.
Аттосекундная физика
Крупномасштабные процессы во Вселенной обычно имеют медленный «пульс жизни», а мелкомасштабные очень быстрый. Например, возраст вселенной 13,8 миллиардов лет — это 0,4 умноженное на 10 в 18 степени секунд. А фотон пробегает молекулу водорода за 0,247 деленное на 10 в 18 степени секунд. Если нанести эти цифры на график вместе с размерами, то получится почти ровная масштабная прямая. Можно заметить, что аттосекундная физика — это довольно большой участок малоизученных скоростей и расстояний. Это область на карте масштабов, «где обитают драконы». Но, благодаря лауреатам нобелевской премии этого года, мы их от туда скоро выгоним.
Суть технологии
Физики давно хотели «сфотографировать», как электрон перемещается внутри атома. Квантовой магии мы не сможем увидеть из-за эффекта наблюдателя — квантовая механика не любят когда на нее смотрят. Однако, и без этого электрон делает много интересных вещей. Проблемой было то, что за период колебаний самой быстрой волны видимого света электрон успевал очень много чего. На выручку пришли обертона: в музыке — частоты колебаний струны (или голоса, например) выше основного тона. Обертональное пение действительно звучит как что-то из другой вселенной. Удивительно, что люди так умеют.
Энн Л’Уилье в 1987 году предложила использовать наложение волн разной частоты инфракрасного лазера, чтобы сформировать особый короткий импульс, по аналогии с тем как наложение волн применяется в обертональной музыке.
Физики решили при помощи имеющего импульса создать еще более короткий вторичным излучением. Они направили инфракрасный лазер на атомы газа. Электрон в атоме удерживается кулоновскими силами, лежит в «потенциальной яме». Электромагнитное поле искажает действие этих сил и электрон «вываливается» из «ямы». Потом импульс восстанавливает кулоновский барьер и электрон возвращается обратно, излучая вторичные импульсы ультрафиолетового излучения. Новые короткие импульсы накладываются на оригинальный сигнал, создавая серию вспышек длительностью в несколько сотен аттосекунд.
Изображение «путешествия» электрона в статье нобелевского комитета
Эксперименты
В 2001 году Пьер Агостини поставил эксперимент, где соединил ультрафиолетовые импульсы, полученные из газа с оригинальным лучем инфракрасного лазера, путь которого был удлинен зеркалами. В результате были получен ряд импульсов длительностью 250 аттосекунд. В то же время Ференц Крауш получил одиночный импульс длительностью 650 аттосекунд аналогичным образом. Разве что, в эксперименте Крауша электрон отрывался от атома газа и улетал на совсем.
В 2017 году группа физиков из Швейцарии усложнила схему эксперимента, создав импульсы длительностью 43 аттосекунды в мягком рентгеновском диапазоне. Это самые короткие импульсы, полученные в лаборатории на данный момент. Сейчас технология активно развивается и здорово, что нобелевская премия смотрит в будущее, награждая за перспективные разработки. Однако, это все еще ретроградное сообщество, оценивающее проверенные временем открытия. Возможно, авторы эксперимента 2017 года получат награду эдак в 2040-м.
Чем аттосекундная физика может быть полезна?
Личная жизнь электрона очень интересна для физиков сама по себе, а может ли она быть полезна нормальным людям? Например, из экспериментов, которые удостоились премии по химии в этом году, сделали телевизоры. И да, у аттосекундной физики есть применение в медицине и it. Рассмотрев как работает молекула, например, белка, можно улучшить понимание работы вирусов и бактерий, создать более эффективные лекарства. А если использовать оптические транзисторы, то частота в 23 петагерца обойдет самые быстрые современные процессоры где-то в 2,6 миллиона раз.
Что еще почитать?
Под каждой статьей в комментариях пишут: «это полный отстой, вот ссылка на статью, где написано тоже самое, но круто!» Что ж, не могу остановить безобразие, поэтому его возглавлю. Нобелевский комитет опубликовал отличные брошюрки: попроще и посложнее. Даже если воспользоваться автоматическим переводом текст остается доступным для понимания.
Автор статьи — физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал
