Vo významnom oznámení večer 3. októbra 2023 bola odhalená Nobelova cena za fyziku za rok 2023, ktorá ocenila vynikajúci prínos troch vedcov, ktorí zohrali kľúčovú úlohu ako priekopníci v oblasti technológie attosekundového lasera.

Termín "attosekundový laser" je odvodený od neuveriteľne krátkeho časového intervalu, na ktorom pracuje, konkrétne v ráde attosekúnd, čo zodpovedá 10-18 sekundám. Na pochopenie hlbokého významu tejto technológie je prvoradé základné pochopenie toho, čo attosekunda znamená. Attosekunda predstavuje mimoriadne minútovú jednotku času, ktorá predstavuje jednu miliardtinu miliardtiny sekundy v širšom kontexte jedinej sekundy. Aby sme to uviedli do perspektívy, ak by sme sekundu prirovnali k týčiacej sa hore, attosekunda by bola podobná jedinému zrnku piesku usadenému na úpätí hory. V tomto prchavom časovom intervale dokonca svetlo sotva prekoná vzdialenosť zodpovedajúcu veľkosti jednotlivého atómu. Prostredníctvom využitia attosekundových laserov vedci získavajú bezprecedentnú schopnosť skúmať a manipulovať so zložitou dynamikou elektrónov v rámci atómových štruktúr, podobne ako spomalené prehrávanie snímok po snímke v kinematografickej sekvencii, čím sa ponoria do ich súhry.

Attosekundové laserypredstavujú vyvrcholenie rozsiahleho výskumu a spoločného úsilia vedcov, ktorí využili princípy nelineárnej optiky na vytvorenie ultrarýchlych laserov. Ich príchod nám poskytol inovatívny pohľad na pozorovanie a skúmanie dynamických procesov prebiehajúcich v atómoch, molekulách a dokonca elektrónoch v pevných materiáloch.

Aby sme objasnili povahu attosekundových laserov a ocenili ich nekonvenčné vlastnosti v porovnaní s konvenčnými lasermi, je nevyhnutné preskúmať ich kategorizáciu v rámci širšej „rodiny laserov“. Klasifikácia podľa vlnovej dĺžky umiestňuje attosekundové lasery prevažne do rozsahu ultrafialových až mäkkých röntgenových frekvencií, čo znamená, že ich vlnové dĺžky sú výrazne kratšie v porovnaní s konvenčnými lasermi. Z hľadiska výstupných režimov patria attosekundové lasery do kategórie pulzných laserov, ktoré sa vyznačujú mimoriadne krátkym trvaním impulzov. Aby sme nakreslili analógiu pre jasnosť, možno si predstaviť lasery so spojitou vlnou ako baterku vyžarujúcu nepretržitý lúč svetla, zatiaľ čo pulzné lasery pripomínajú stroboskopické svetlo, ktoré sa rýchlo strieda medzi obdobiami osvetlenia a tmy. Attosekundové lasery v podstate vykazujú pulzujúce správanie v osvetlení a tme, no ich prechod medzi týmito dvoma stavmi prebieha s úžasnou frekvenciou a dosahuje sféru attosekúnd.

Ďalšia kategorizácia podľa výkonu zaraďuje lasery do skupín s nízkym výkonom, stredným výkonom a vysokým výkonom. Attosekundové lasery dosahujú vysoký špičkový výkon vďaka extrémne krátkemu trvaniu impulzov, čo vedie k výraznému špičkovému výkonu (P) – definovanému ako intenzita energie za jednotku času (P=W/t). Hoci jednotlivé attosekundové laserové impulzy nemusia mať výnimočne veľkú energiu (W), ich skrátený časový rozsah (t) im dodáva zvýšený špičkový výkon.

Pokiaľ ide o aplikačné oblasti, lasery pokrývajú spektrum zahŕňajúce priemyselné, lekárske a vedecké aplikácie. Attosekundové lasery nachádzajú svoje miesto predovšetkým v oblasti vedeckého výskumu, najmä pri skúmaní rýchlo sa vyvíjajúcich javov v oblastiach fyziky a chémie, ktoré ponúkajú okno do rýchlych dynamických procesov mikrokozmického sveta.

Kategorizácia podľa laserového média vymedzuje lasery ako plynové lasery, pevnolátkové lasery, kvapalinové lasery a polovodičové lasery. Generovanie attosekundových laserov zvyčajne závisí na plynových laserových médiách, ktoré využívajú nelineárne optické efekty na vytváranie vyšších harmonických.

Stručne povedané, attosekundové lasery predstavujú jedinečnú triedu laserov s krátkym impulzom, ktoré sa vyznačujú mimoriadne krátkym trvaním impulzov, ktoré sa zvyčajne meria v attosekundách. V dôsledku toho sa stali nepostrádateľnými nástrojmi na pozorovanie a riadenie ultrarýchlych dynamických procesov elektrónov v atómoch, molekulách a pevných materiáloch.

Prepracovaný proces generovania attosekundového lasera

Attosekundová laserová technológia stojí v popredí vedeckých inovácií a môže sa pochváliť neuveriteľne prísnym súborom podmienok pre svoju generáciu. Aby sme objasnili zložitosť generovania attosekundového lasera, začneme stručným výkladom jeho základných princípov, po ktorom nasledujú živé metafory odvodené z každodenných skúseností. Čitatelia neznalí zložitosti príslušnej fyziky nemusia zúfať, pretože nasledujúce metafory majú za cieľ sprístupniť základnú fyziku attosekundových laserov.

Proces generovania attosekundových laserov sa primárne opiera o techniku ​​známu ako High Harmonic Generation (HHG). Po prvé, lúč vysokointenzívnych femtosekundových (10^-15 sekúnd) laserových impulzov je pevne zaostrený na plynný cieľový materiál. Stojí za zmienku, že femtosekundové lasery, podobné attosekundovým laserom, majú spoločné charakteristiky krátkeho trvania impulzu a vysokého špičkového výkonu. Pod vplyvom intenzívneho laserového poľa sa elektróny v atómoch plynu na chvíľu uvoľnia z ich atómových jadier a prechodne vstúpia do stavu voľných elektrónov. Keď tieto elektróny oscilujú v reakcii na laserové pole, nakoniec sa vrátia a rekombinujú so svojimi materskými atómovými jadrami, čím vytvárajú nové vysokoenergetické stavy.

Počas tohto procesu sa elektróny pohybujú extrémne vysokou rýchlosťou a po rekombinácii s atómovými jadrami uvoľňujú dodatočnú energiu vo forme vysokých harmonických emisií, ktoré sa prejavujú ako vysokoenergetické fotóny.

Frekvencie týchto novovytvorených vysokoenergetických fotónov sú celočíselnými násobkami pôvodnej laserovej frekvencie a tvoria to, čo sa nazýva harmonické s vysokým rádom, kde „harmonika“ označuje frekvencie, ktoré sú celočíselnými násobkami pôvodnej frekvencie. Na dosiahnutie atosekundových laserov je potrebné filtrovať a zaostrovať tieto harmonické vyšších rádov, vyberať špecifické harmonické a koncentrovať ich do ohniska. V prípade potreby môžu techniky kompresie impulzov ďalej skrátiť trvanie impulzu, čím sa získajú ultrakrátke impulzy v rozsahu attosekúnd. Je zrejmé, že generovanie attosekundových laserov predstavuje sofistikovaný a mnohostranný proces, ktorý si vyžaduje vysoký stupeň technickej zdatnosti a špecializované vybavenie.

Na demystifikáciu tohto zložitého procesu ponúkame metaforickú paralelu založenú na každodenných scenároch:

Vysokointenzívne pulzy femtosekundového lasera:

Predstavte si, že máte výnimočne silný katapult schopný okamžite hádzať kamene kolosálnou rýchlosťou, podobnú úlohe, ktorú zohrávajú vysokointenzívne femtosekundové laserové impulzy.

Plynný cieľový materiál:

Predstavte si pokojnú vodnú plochu, ktorá symbolizuje plynný cieľový materiál, kde každá kvapka vody predstavuje nespočetné množstvo atómov plynu. Akt poháňania kameňov do tohto vodného útvaru analogicky odráža vplyv vysokointenzívnych femtosekundových laserových impulzov na plynný cieľový materiál.

Pohyb elektrónov a rekombinácia (fyzikálne nazývaný prechod):

Keď femtosekundové laserové impulzy dopadnú na atómy plynu v plynnom cieľovom materiáli, značný počet vonkajších elektrónov sa na chvíľu vybudí do stavu, v ktorom sa oddelia od príslušných atómových jadier, čím sa vytvorí stav podobný plazme. Keď sa energia systému následne zmenšuje (keďže laserové impulzy sú vo svojej podstate pulzujúce s intervalmi zastavenia), tieto vonkajšie elektróny sa vracajú do blízkosti atómových jadier a uvoľňujú fotóny s vysokou energiou.

Vysoká harmonická generácia:

Predstavte si, že zakaždým, keď kvapka vody spadne späť na hladinu jazera, vytvorí vlnenie, podobne ako vysoké harmonické v attosekundových laseroch. Tieto vlnky majú vyššie frekvencie a amplitúdy ako pôvodné vlnky spôsobené primárnym femtosekundovým laserovým pulzom. Počas procesu HHG silný laserový lúč, podobný neustálemu hádzaniu kameňov, osvetľuje plynový terč, ktorý pripomína hladinu jazera. Toto intenzívne laserové pole poháňa elektróny v plyne, podobne ako vlnky, preč od ich materských atómov a potom ich ťahá späť. Zakaždým, keď sa elektrón vráti k atómu, vyžaruje nový laserový lúč s vyššou frekvenciou, podobný zložitejším vlniacim sa vzorom.

Filtrovanie a zaostrovanie:

Kombináciou všetkých týchto novovytvorených laserových lúčov sa získa spektrum rôznych farieb (frekvencií alebo vlnových dĺžok), z ktorých niektoré tvoria attosekundový laser. Ak chcete izolovať špecifické veľkosti a frekvencie zvlnenia, môžete použiť špecializovaný filter, podobný výberu požadovaných zvlnení, a použiť lupu na ich zaostrenie na konkrétnu oblasť.

Pulzná kompresia (ak je to potrebné):

Ak sa snažíte šíriť vlnky rýchlejšie a kratšie, môžete ich šírenie urýchliť pomocou špecializovaného zariadenia, čím sa skráti čas trvania každého vlnenia. Generovanie attosekundových laserov zahŕňa komplexnú súhru procesov. Keď sa však rozoberie a vizualizuje, stane sa zrozumiteľnejším.