Исследование Вселенной открывает перед нами новые горизонты и просторы для познания. На протяжении истории человечество изобретало различные инструменты, которые позволяли нам видеть дальше, как, например, телескопы, или погружаться в микромир с помощью микроскопов. Важным аспектом исследований является также расширение границ нашего восприятия, исследование новых спектров света, а также использование экзотических средств, таких как нейтрино и гравитационные волны. В 2023 году Нобелевская премия по физике была вручена трем ученым, которые предложили нам новый способ взгляда на Вселенную.
Этот новый взгляд не предоставляет нам новых масштабов пространства или новый метод восприятия мира, это взгляд в новое время. Мы погружаемся в уникальные временные масштабы внутреннего мира атомов благодаря физике аттосекунд, которая представляет собой миллиардную долю миллиардной доли секунды. Столько аттосекунд в секунде, сколько секунд прошло с момента возникновения Вселенной. Таким образом, Нобелевская премия по физике этого года - это своеобразный микроскоп во времени, позволяющий нам увидеть то, что происходит внутри атомов.
Когда мы вглядываемся в мир на уровне все более мелких элементов, перед нами начинают открываться все более быстропротекающие процессы. Это легко понять: крупные объекты по своей сути менее подвижны, чем их составляющие. Так, наш взор останавливается на движении отдельных атомов в ходе химических реакций, или на перемещении электронов внутри атомов.
Именно поэтому Шведская королевская академия наук приняла решение присудить Анн Л'Юилье, Пьеру Агостини и Ференцу Краусу Нобелевскую премию по физике 2023 года за заслуги в области аттосекундной физики.
Прежде чем мы перейдем к тому, как наши ученые достигли таких выдающихся результатов, давайте обсудим, с какими трудностями им пришлось столкнуться на этом пути. Рассмотрим процесс наблюдения. Наблюдение — это процесс зафиксирования взаимодействия элементов, как, например, звуковые волны отражаются от стен каньона и возвращаются к нам в виде эха, или как ароматные молекулы взаимодействуют с рецепторами нашего носа, позволяя нам ощутить запах цветов.
Для наблюдения малых объектов требуется использование частиц, которые также имеют малые размеры. Это можно сравнить с попыткой разглядеть детали объекта, бросая в него разные по размеру шары. Если бы вы решили оценить форму другого человека, бросив в него футбольный мяч, то получили бы лишь общее представление о его контурах. В то время как выбрав для этой цели фотоны, вы смогли бы разглядеть объект во всех его деталях.
Разрешение малых расстояний требует рассеивания большого количества частиц с малым пространственным разделением в точно определенные точки пространства. Аналогично, для разрешения малых временных интервалов требуется рассеивание большого количества частиц с малым временным разделением в точно определенные моменты времени.
Попробуем рассмотреть ситуацию, когда мы сталкиваемся с задачей сфотографировать стрекозу в полёте. Если диафрагма нашего фотоаппарата открывается на долгое время, то на снимке мы получим размытые контуры насекомого и его крыльев, поскольку стрекоза быстро перемещается. Чтобы избежать этого и сделать качественный снимок, необходимо, чтобы диафрагма фотоаппарата открывалась и закрывалась с высокой скоростью, а интервал между снимками был минимален. Это позволит нам зафиксировать каждое мгновение полёта стрекозы и в деталях рассмотреть красоту её движений.
Для достижения коротких временных интервалов и плотного временного размещения до аттосекунд, давайте рассмотрим временное положение фотона. Это ограничено периодом его электромагнитной волны, то есть вы не можете зафиксировать фотон на промежуток времени, меньший одного колебания его волны.
Свет с аттосекундным периодом относится к рентгеновским лучам в электромагнитном спектре. Эти лучи являются видом излучения, который мы часто используем в медицине и научных исследованиях для получения изображений внутренних структур объектов. Однако есть нюансы, о которых стоит поговорить подробнее.
В 1980-х годах Анн Л'Юилье и её команда экспериментировали с облучением аргонового газа инфракрасными лазерами и заметили нечто необычное. Вместо того чтобы получить различные типы света, как это обычно происходит при облучении газа, исходящий пучок света состоял из исходной частоты плюс некоторых более высоких частот, которые не соответствовали никаким известным процессам. Откуда же взялись эти дополнительные частоты?
Представьте, что лазерный импульс, проходя мимо атома газа, словно рука, толкает электромагнитное поле, удерживающее электроны. Это движение может заставить электроны проскочить через так называемый квантовый туннель. Вернувшись обратно к своему атому, электрон высвобождает энергию в виде фотона, подобно отпускаемой растянутой пружине. Получившийся фотон будет иметь энергию, превосходящую каждый из фотонов исходного лазерного импульса, и его частота будет кратной частоте лазерных фотонов. Интересно, что это кратное будет нечетным из-за определенных законов симметрии.
Такой процесс называется генерацией высших гармоник и, по сути, добавляет обертоны к лазерному лучу, как если бы вы играли ноту на музыкальном инструменте. Вы получите основную частоту вместе с высшими частотными обертонами, которые формируют тембр инструмента. Этот же процесс изменяет тембр лазера при взаимодействии с аргоновым облаком. Это захватывающий эффект, но до получения Нобелевской премии нам еще предстоит преодолеть некоторые научные барьеры.
Представьте себе звучание низкой ноты "соль", а затем — ноты "ля". Рассматриваемые отдельно, они не представляют особой загадки. Но когда они сочетаются, между ними возникает уникальный эффект, который можно охарактеризовать как "ва-ва-ва". Это явление в акустике носит название "биения". Эффект возникает из-за того, что синусоидальные волны нот "соль" и "ля" встречаются в определенных точках, усиливая друг друга благодаря конструктивному взаимодействию. В то время как в других местах они аннулируют друг друга, что приводит к тишине вследствие деструктивного взаимодействия.
Эффект биения может проявляться в виде достаточно широких волн с частотой, которая будет ниже, чем у обеих "родительских" волн. Но если добавить все больше волн, то можно добиться сужения ширины биений, и в результате получить четкие импульсы с минимальным временным промежутком между ними. Это требует наличия множества частот с похожей интенсивностью, как в эксперименте Анн Л'Юилье.
В результате исследования были получены импульсы с временной шириной в сотни аттосекунд. Но несмотря на этот успех, аттосекундные импульсы ещё не были готовы к широкому использованию. Их потенциал заключался в возможности измерения событий, происходящих на аттосекундных временных масштабах. Однако, возникла проблема калибровки импульсов, которые сами являются аттосекундными событиями. Это подобно попытке измерить свой рост, используя линейки, длины которых вам неизвестны.
В этот момент на сцену выходит Пьер Агостини, лауреат Нобелевской премии, который смог откалибровать аттосекундные импульсы. Агостини использовал методы конструктивного и деструктивного вмешательства, применив их к входящему лазерному лучу. Он отклонил часть луча, добавил к нему задержку, а затем объединил его с уже частотно-умноженным лучом. Этот метод позволил ему измерить ширину импульсов, зафиксировав их в 250 аттосекунд. Кроме того, Агостини обнаружил, что импульсы были "фазово замкнутыми", что обеспечивает стабильность и согласованность биений и является ключевым условием для аттосекундных измерений.
Использование поездов импульсов с аттосекундной локализацией и разделением оказалось эффективным решением в научных исследованиях. Однако для ряда приложений более предпочтительными являются отдельные, изолированные аттосекундные импульсы. Усилия в этом направлении привели к успеху благодаря работе Ференца Крауса.
С применением сложной манипуляции фазой и амплитудой ученым удалось создать изолированные импульсы продолжительностью 650 аттосекунд, причем ширина каждого из импульсов была определена с точностью до 150 аттосекунд.
С появлением технологии аттосекундных импульсов открываются новые возможности в изучении природы. Как отметил Краус, это позволяет взглянуть на мир под новым углом и наполняет восхищением.
Аттосекундные импульсы стали инструментом для изучения движения электронов в атомах и молекулах. Изучение динамики электронных облаков в атоме на аттосекундных временных масштабах стало возможным благодаря этой технологии.
Помимо изучения, аттосекундные импульсы могут быть использованы для управления движением электронов на микроскопическом временном масштабе, что имеет огромный потенциал для практических приложений.
Одно из перспективных направлений, которым занимается команда Крауса в Институте квантовой оптики Макса Планка, – это разработка технологии молекулярного отпечатка. Суть этой технологии заключается в настройке аттосекундных импульсов на частоту для вызывания колебаний в определенных молекулах, что позволит каталогизировать молекулярный состав образца. Эта технология находит применение в разработке устройств для медицинской диагностики.
Интересная возможность, которую открывает использование аттосекундных импульсов, - это разработка ультраскоростных электронных устройств. Рассмотрим пример с двумя металлическими пластинами, имеющими противоположные электрические заряды. Если мы направим изолированный аттосекундный импульс на одну из пластин, его может поглотить электрон, который затем переместится на вторую пластину. Это является фотоэлектрическим эффектом, описанным более 120 лет назад.
Однако в нашем примере это также транзистор – ключевой компонент большинства современных технологий. Обычные транзисторы регулируют поток электричества между двумя заряженными пластинами, изменяя заряд в третьей пластине. Новый тип транзистора сможет регулировать поток электричества с помощью света, что может быть значительно более быстрым, особенно если ширина импульса измеряется в аттосекундах. Согласно Краусу, такой подход может увеличить мощность компьютеров в 100 000 раз. Хотя это звучит оптимистично, даже доля этого увеличения мощности будет невероятным достижением и может продлить срок действия закона Мура на несколько десятилетий.
Это всего лишь два примера применения аттосекундных импульсов в медицине и электронике. С новыми инструментами перед нами открываются новые горизонты для открытий и новых применений в изучении Вселенной.
В этой статье мы более глубоко и подробно рассмотрели ключевые аспекты аттосекундных импульсов, по сравнению с нашим предыдущим материалом, который вы можете найти по ссылке ниже. Мы старались описать всё максимально понятным языком, чтобы даже те, кто не имеют специальных знаний в этой области, смогли ухватить суть. Однако, если вас интересуют более технические аспекты и детальный разбор того, как всё работает, оставляйте ваши вопросы в комментариях, и мы с удовольствием посвятим одну из следующих статей этой теме!
Следите за новостями в нашем канале, чтобы не пропустить новые захватывающие открытия и разработки в области науки и технологий. Подписывайтесь, ставьте лайки, делитесь с друзьями и оставайтесь на связи!
