Процессы в атомах и молекулах, в которых участвуют электроны, происходят за несколько десятых долей аттосекунды (10−18 с). Аттосекунда настолько короткий интервал времени, что в одной секунде их столько же, сколько секунд прошло с момента рождения Вселенной. Для исследования столь быстрых процессов нужны измерительные устройства, имеющие сопоставимые времена работы. Так, если бы могли заснять подобные события, кадры фильма должны были следовать со сравнимым временем, чтобы мы могли разобрать детали происходящих изменений. Долгое время подобных технологий не существовало и эти процессы были как бы невидимы для физиков, точнее раньше их было невозможно отследить.
Лауреаты Нобелевской премии по физике 2023 года дали исследователям инструмент для подобных исследований, по сути основав новый раздел физики. Пьер Агостини (Франция, США), Ференц Краус (Германия) и Анн Л'Юилье (Франция, Швеция) разработали способы создания чрезвычайно коротких импульсов света длительностью в аттосекунды, которые можно использовать для измерения быстрых процессов внутри атомов и молекул, сопровождающихся движением или изменением энергии электронов. Это и было отмечено Нобелевским комитетом, который присудил награду
«За экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе»
В 1987 году Анн Л'Юилье (L’Huillier), работая в Центре ядерных исследований Сакле (Франция) обнаружила, что при пропускании инфракрасного лазерного света через инертный газ возникает множество различных световых гармоник в том числе и очень высокой частоты. Они вызваны взаимодействием лазерного света с атомами газа. Оно даёт некоторым электронам дополнительную энергию, которая затем излучается в виде света. Анн Л'Юилье продолжила исследовать этот феномен, заложив основу для последующих открытий. В 1994 году она переехала в Швецию, где в Лундском университете возглавила группу аттосекундной физики, которая изучает движение электронов в реальном времени, что используется для понимания химических реакций на атомном уровне. В 2003 году она и ее группа побили мировой рекорд, получив самый короткий на тот момент лазерный импульс длительностью 170 аттосекунд.
В 2001 году Пьеру Агостини удалось создать и исследовать серию последовательных световых импульсов, каждый из которых длился всего 250 аттосекунд. Тогда же он с коллегами разработал метод RABBITT (Reconstruction of Attosecond Beating By Interference of Two-photon Transitions Реконструкция аттосекундного биения путем интерференции двухфотонных переходов ), в настоящее время широко используемого для изучения сверхбыстрых процессов в веществе.
В том же 2001 году Ференц Краус совместно с группой исследователей впервые сгенерировал и измерил одиночный аттосекундный световой импульс длительностью 650 аттосекунд и использовал его для наблюдения за поведением электронов в атомах, ознаменовав тем самым рождение новой области физики — аттофизики. Его работы привели к созданию специального сверхчувствительного измерительного оборудования, которое бы позволяло отслеживать подобные процессы. Благодаря этому оборудованию исследователям удалось в реальном времени наблюдать такие процессы, как создание туннельного эффекта в результате деформации электростатического поля, перенос носителей заряда, запаздывающая фотоэмиссия, движение валентных электронов.
«Теперь мы можем открыть дверь в мир электронов. Аттосекундная физика дает нам возможность понять механизмы, которыми управляют электроны. Следующим шагом будет их использование», — заметила председатель Нобелевского комитета по физике Ева Олссон. Например, в электронике важно понимать и контролировать поведение электронов в материале, а в медицинской диагностике аттосекундные импульсы можно использовать для идентификации различных молекул.
3 октября 2023
Автор: Алексей Понятов
Статьи по теме: