Нобелевскую премию по физике 2023 года присудили «за экспериментальные методы, генерирующие аттосекундные импульсы света для изучения динамики электронов в веществе». Обладателями самой престижной научной награды стали Пьер Агостини (США), Ференц Крауз (Германия) и Анн Л'Юлье (Швеция). Как пояснил доктор физико-математических наук, профессор Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политеха Александр Потылицын, открытие в этой области позволит ученым в динамике и пошагово проследить квантовый процесс прохождения электронов через барьер (туннельный эффект), а главное – понять, что с ними происходит в этот момент.
«Лазерная физика сегодня развивается семимильными шагами, много исследований проводится для лазеров видимого света с длиной волны порядка микрона, с энергией фотона порядка одного электрон-вольта. На сегодняшний день самым коротким лазерным импульсом в световом диапазоне считается 10-15 секунд. Дальше продвинуться невозможно, поскольку не существуют импульсы излучения с длительностью вспышки меньше периода волны излучения. Но нобелевские лауреаты этого года перешли в другой диапазон длин волн, так называемый дальний ультрафиолет. Там длина волны на порядок меньше – доли микрона, и поэтому можно сузить импульс до сотни аттосекунд (аттосекунда равна 10-18 секундам, на сегодня минимальная единица измерения времени атомных процессов – ред.). То есть они получили световую вспышку, которая позволяет отслеживать, как идет образование сложных молекул, например, в биологически активных средах», — поясняет профессор.
Предложенный нобелевскими лауреатами метод позволит отслеживать траекторию электрона по мере его прохождения через образец и «снимать фильмы» этого процесса во времени. По словам политехника, раньше со световыми вспышками этого сделать не удавалось, поскольку длительность самой вспышки была сопоставима с временем протекания процесса.
«Работы в этом диапазоне проводились и раньше. Но никто не догадывался, как можно уменьшить длину вспышки. Нобелевские лауреаты включили некоторую обратную связь: они предложили воздействовать на радиатор мощным лазером в видимом диапазоне. Когда электрон в материале радиатора поглощает несколько лазерных фотонов и покидает соответствующий энергетический уровень, то при заполнении образовавшейся «вакансии» происходит излучение одного фотона с длиной волны намного короче длин волн видимого диапазона. Именно излучение этих вторичных фотонов формирует аттосекундный импульс излучения. С помощью таких импульсов можно изучать динамику туннельного эффекта.
Представьте, что вы бросаете мяч, он ударяется об стену и отскакивает. Он не может пройти сквозь стену. Но в квантовом мире известно: чем меньше частица, тем больше вероятность того, что эта частица проскочит через барьер. Поэтому, если ваш мячик уменьшить в миллиард раз, то его вероятность проскочить через барьер была бы уже не нулевая. А если уменьшить его еще в миллион раз, то вероятность его прохождения будет примерно «половина на половину»: одна половина «мячиков» будет отражаться от барьера, а вторая – пройдет сквозь. Это так называемый квантовый туннельный эффект. С помощью открытого нобелевскими лауреатами метода можно будет, грубо говоря, просканировать этот эффект», — добавляет Александр Потылицын.
По словам профессора, исследования в фундаментальной атомной физике начали развиваться после публикаций Нильса Бора 110 лет назад. За это время ученые смогли достичь больших результатов: от электронных микроскопов и лазерной физики до квантовой телепортации и квантовых компьютеров. Политехник уверен, что через 10-15 лет туннельные микроскопы будут работать по методу нобелевских лауреатов.