Nobel za otkriće atosekundnih pulsova

Ove godine Nobelovu nagradu za fiziku podijelili su Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier za eksperimentalne metode koje generiraju jako kratke pulsove svjetlosti za proučavanje dinamike elektrona u materiji. No koliko su kratki ti jako kratki pulsovi? Kad želimo istražiti stvarno kratke događaje, potrebna nam je posebna tehnologija. U svijetu elektrona promjene se događaju u nekoliko desetinki atosekundi – atosekunda (10⁻¹⁸ s) toliko je kratka da ih u jednoj sekundi ima onoliko koliko je bilo sekundi od rođenja svemira.

Eksperimenti laureata proizveli su tako kratke svjetlosne pulsove da se mjere u atosekundama. Takvi pulsovi mogu se koristiti za dobivanje snimki procesa unutar atoma i molekula.

Atosekundna fizika daje nam priliku za razumijevanje mehanizama kojima upravljaju elektroni

Godine 1987. Anne L’Huillier otkrila je da se mnogo različitih viših frekvencija (harmonika) svjetlosti javlja kada pošalje infracrveno lasersko svjetlo kroz plemeniti plin. Viši harmonik je val sa zadanim brojem ciklusa za svaki ciklus u laserskom svjetlu. Uzrokuje ih lasersko svjetlo u interakciji s atomima u plinu; nekim elektronima daje dodatnu energiju, koja se zatim emitira kao svjetlost. Na slici gore prikazano je kako možemo zamisliti taj proces s pomoću modela ponovnog raspršenja.

U prvom koraku lasersko polje uzrokuje ionizaciju procesom tuneliranja, u drugom koraku lasersko polje ubrzava elektron. Kad lasersko polje obrne smjer u sljedećem poluciklusu, slobodan elektron može se vratiti natrag u ion i rekombinirati. U trećem koraku proces rekombinacije pretvara kinetičku energiju elektrona u emitirani ekstremno ultraljubičasti (XUV) foton. Tuneliranje je kvantnomehanička pojava pri kojoj postoji vjerojatnost da elementarna čestica svlada prepreku (potencijalnu barijeru) kada to zakoni klasične fizike ne dopuštaju. Primjerice, pri naletu čestice na središte odbojne sile kojoj je potencijalna energija veća od kinetičke energije čestice, klasično je moguće samo odbijanje čestice. Ipak, zahvaljujući valnim svojstvima koja kvantna mehanika pridjeljuje elementarnim česticama, valna funkcija čestice ne iščezava ni u samoj barijeri, ni iza nje. Stoga postoji određena vjerojatnost da se čestica nađe i u klasično zabranjenim područjima prostora. Ta vjerojatnost ovisi o visini i širini barijere, a pokusi potvrđuju da je, pri naletu mnoštva čestica, broj onih koje prođu barijeru proporcionalan kvantno-mehanički izračunatoj vjerojatnosti.

Anne L’Huillier nastavila je istraživati ​​taj fenomen, postavljajući temelj za kasnija otkrića. Trenutno je zaposlena na Sveučilištu Lund u Švedskoj i peta je žena koja je dobila Nobelovu nagradu za fiziku.

Godine 2001. Pierre Agostini uspio je proizvesti i istražiti niz uzastopnih svjetlosnih pulsova, u kojima je svaki puls trajao samo 250 atosekundi. Istodobno je Ferenc Krausz radio s drugom vrstom pokusa, onima koji su omogućili izolaciju jednoga svjetlosnog pulsa s trajanjem od 650 atosekundi. Agostini je prof. emeritus na Sveučilištu Ohio u SAD-u, a Krausz je zaposlen na Max Planck Institutu za kvantnu optiku i Ludwig Maximilian Sveučilištu u Münchenu u Njemačkoj.

Doprinosi laureata omogućili su istraživanje procesa koji su toliko brzi da ih je prije bilo nemoguće pratiti. Svjetlosni pulsovi kraćeg trajanja omogućuju mjerenja na bržim vremenskim skalama, djelujući poput stroboskopskog svjetla za „zamrzavanje“ brzih pokreta.

Atosekundna fizika daje nam priliku za razumijevanje mehanizama kojima upravljaju elektroni. Sljedeći korak bit će njihova primjena. Ta su otkrića relevantna u mnogim znanstvenim područjima, uključujući biologiju i kemiju. U elektronici je, na primjer, važno razumjeti i kontrolirati kako se elektroni ponašaju u materijalu. Atosekundni impulsi mogu se koristiti i za identifikaciju različitih molekula, primjerice u medicinskoj dijagnostici.

Kada je Werner Heisenberg formulirao novu kvantnu mehaniku 1925, njegov glavni argument bio je da je stara kvantna mehanika prisilila fizičare da se koriste veličinama koje su, u načelu, bile nevidljive, kao što su položaj i period revolucije elektrona u vodikovu atomu. Heisenberg je tvrdio da bi se nova teorija trebala temeljiti na opservablama (mjerljive fizikalne veličine) kao što su frekvencije kvantnih prijelaza.

Heisenbergov intuitivni rad iz 1925. jedan je od najvažnijih u fizici 20. stoljeća, ali ono što nije mogao predvidjeti jest da ono što je nekada bilo „u načelu“ neopažljivo sada postaje dostupno u laboratorijskim eksperimentima. Možda još ne možemo promatrati, u strogom smislu, položaj i revoluciju elektrona oko jezgre, ali danas možemo „vidjeti“ dinamiku elektrona u atomima, molekulama i materiji u kondenziranoj fazi u laboratorijskim eksperimentima.

Kako je to moguće? Jednostavni argumenti zasnovani na usporedbi unutarnje atomske jedinice vremena, oko 24 ato­sekunde (as), i vremenske skale jednociklusnog optičkog pulsa, oko jedne femtosekunde (fs -10⁻¹⁵ s), sugerirali bi da nikada ne bi bilo moguće ispitati dinamiku elektrona u stvarnom vremenu. U stvari, duže vrijeme, najkraći puls proizveden u laserskim laboratorijima bio je oko 6 fs. Eksperimentalni razvoj kratkih optičkih pulsova usko je povezan s tehničkim razvojem laserske tehnologije, kao što je zaključavanje moda i mjerenje trajanja svjetlosnog impulsa. To je omogućilo ispitivanja kako se atomi kreću u molekuli i proučavanja nedostižnih prijelaznih stanja u kemijskim reakcijama, studije za koje je Ahmed Zewail dobio Nobelovu nagradu za kemiju 1999. godine.