Что мы знаем о времени? В классической и квантовой физике принято считать его непрерывной величиной. Хотя есть и корпускулярные теории, согласно которым должна быть мельчайшая неделимая частица времени – хронон, по аналогии с фотонами. Последние исследования в физике позволяют изучить такие сверхбыстрые процессы в микромире, которые недоступны для человеческого восприятия, «разобрать» время на мельчайшие составляющие.
Так, например, электроны, которые входят в состав атомов, малы не только в геометрических размерах, но и «живут» гораздо быстрее, чем макрообъекты. Речь идет даже не о микросекундах, а об аттосекундах. Нобелевским лауреатам по физике, награжденным в 2023 году, удалось приблизиться к этим величинам, проникнуть в «личную жизнь» электронов.
За что дали Нобелевскую премию
Современная физика достигла такого развития, когда можно зафиксировать сверхбыстрые процессы на атомном уровне, заглянуть в мир электронов и получить «фильм», состоящий из нескольких кадров с частицами, «пойманных» человеком. В 2023 году Нобелевскую премию по физике получили исследователи в области аттофизики – сверхкоротких световых импульсов, влияющих на свойства вещества в атомных масштабах времени.
С того момента, как появились первые лазеры, начались и исследования по сокращению длительности лазерных импульсов. Эта область науки интересна прежде всего тем, что позволяет изучить сверхбыстрый мир электронов, который недоступен для обычных технологий и для восприятия человеческими органами чувств.
До 1980-х гг. считалось, что фемтосекунда (в тысячу раз больше аттосекунды) – это минимальная длина волн в лазерных системах и предел для сверхкоротких вспышек света. Однако в 1987 году французская исследовательница Анна Л’Юлье и ее коллеги из лаборатории зафиксировали более интенсивный выброс электронов, вызванный инфракрасным лазерным лучом.
В 2001 году американский профессор Пьер Агостини получил с помощью лазера серию световых импульсов, каждый из которых не превышал 250 аттосекунд. Одновременно другой исследователь, Ференц Крауш (директор Института квантовой оптики имени Макса Планка в Гархинге, Германия) добился светового импульса в 650 аттосекунд.
Этим ученым и решено было вручить Нобелевскую премию по физике в 2023 году – за изучение движения электронов в атомах с помощью аттосекундной спектроскопии.
Масштаб аттосекунды
Состояние электронов меняется за десятые доли аттосекунды. Электрону в атоме водорода нужно около 150 аттосекунд, для того, чтобы облететь по орбите ядро.
Эта схема – классическая Боровская модель атома, о которой рассказывают в школах. Но на самом деле электрон не летает как шарик вокруг ядра. Он представляет собой размазанное электронное облако, которое под внешним воздействием начинает колыхаться. А период этого колыхания и равен 150 аттосекундам.
Сама аттосекунда предельна коротка во времени: в 1 секунде столько же аттосекунд, сколько прошло секунд с момента зарождения Вселенной.
В фемтосекундах измеряется движение атомов. Аттосекунды – это масштаб времени, в котором протекают электронные процессы, то есть внутренняя жизнь атомов. Аттосекунда – одна квинтиллионная секунды, или 10 в минус 18 степени секунды.
Расщепить время до нуля
Исследования движения электронов под влиянием инфракрасных световых волн привели к развитию нового направления в науке – аттосекундной физики. Сейчас самые быстрые измерения, которые может сделать человек, – это 20-аттосекундный временной сдвиг во времени выброса электронов.
В первую очередь это фундаментальные исследования, которые помогают понять ход биологических и химических процессов. Но они имеют также и прикладное, практическое значение.
Теперь появилась возможность наблюдения атомных явлений в режиме реального времени. Как считают ученые, в XXI веке аттосекундная физика может быть выведена на новые рубежи. Станет возможной визуализация квантовой природы электрона.
Ведь существуют и более быстрые процессы, которые протекают в еще более мелких единицах времени. Например, ядерные реакции (взаимодействие атомного ядра с элементарными частицами) протекают за зептосекунды. В этом масштабе уже нет движения электронов, их можно считать «замороженными».
А за йоктосекунды происходит рождение и распад нестабильных элементарных частиц, фундаментальной составляющей материи. Но информацию о таких быстропротекающих процессах мы сможем получить, скорее всего, только косвенным путем.
От хаотичных импульсов к упорядоченному воздействию
В России тоже ведутся исследовательские работы в этом направлении. Так, например, ряд отечественных ученых из Санкт-Петербургского государственного университета, ИТМО, ФТИ имени А.Ф. Иоффе (Р.М. Архипов, М.В. Архипов, И. Бабушкин, А.В. Пахомов, Н.Н. Розанов) предложили усовершенствовать генерацию аттосекундных импульсов.
В зарубежных работах короткие импульсы света получают с помощью облучения вещества инфракрасным фемтосекундным лазером. Такая технология низкоэффективная, требует громоздких и сложных экспериментальных установок.
Для получения изолированного аттосекундного импульса можно использовать полуцикловое рентгеновское излучение. Это позволяет упростить процесс управления формой и длительностью импульсов. А при воздействии интенсивного лазерного излучения на поверхность сверхплотной плазмы можно получить импульсы уже в зептосекундном диапазоне.
Практическое применение
Исследования сверхбыстрых процессов в микромире открывают новые уникальные возможности:
- Высокочувствительная микроскопия и дефектоскопия, которая может использоваться в технике, химии, биологии и медицине.
- Исследование, управление химическими и биологическими процессами на атомном уровне, развитие аттохимии. Движения электронов в масштабе атома отвечают за образование и разрыв химических связей, изменение структуры биомолекул и их функций в биологических системах.
- Получение более точной информации о происхождении болезней. Многие жизненно важные процессы разворачиваются в течение сотен и даже десятков аттосекунд.
- Создание сверхбыстрых аналогов радиоэлектронных схем, повышение обработки и передачи информации в сотни, тысячи раз, до предельной скорости за счет управления сверхбыстрыми электрическими импульсами в полупроводниках, переключения твердотельных диэлектриков в проводящее состояние. Развитие современной сверхбыстрой оптоэлектроники на петагерцовых частотах.
Сами лауреаты Нобелевской премии считают, что началась эра аттонанофизики, а уменьшение длительности лазерных импульсов открывает возможности в практически необъятном спектре задач науки и технологий.
________________________________________________________________
Рассказываем про интеллектуальные права, кратко освещаем важные новости для бизнеса и делимся результатами своей работы. Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
_________________________________________________________________
Другие статьи, которые могут быть вам интересны:
Как самостоятельно зарегистрировать свой бренд
Авторские права на музыкальные произведения