За что дали Нобелевку по физике в 2023 году?
Нобелевская премия 2023 года по физике присуждена трём учёным-экспериментаторам – Пьеру Агостини (США), Ференцу Краузу (Германия) и Анне Л’Юлье (Швеция). Они создали экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для исследования динамики электронов в веществе.
О том, что же такое аттосекундные импульсы и как они помогают исследовать микромир, нам рассказал кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник сектора моделирования сверхбыстрых оптических процессов ИПФ РАН Михаил Рябикин.
«Эти исследования проводились со второй половины 1980-х до начала 2000-х годов. В это время были заложены основы создания инструментария для получения, измерения и применения вспышек ультрафиолетового и рентгеновского излучения рекордно короткой (аттосекундной) длительности.
Аттосекунда – это интервал времени, составляющий одну миллиардную долю от одной миллиардной доли секунды.
Длительности импульсов, достигаемые с использованием открытий нынешних лауреатов, составляют менее 40 аттосекунд. Это в 4-5 раз меньше периода обращения электрона вокруг протона по наименьшей круговой орбите в модели атома, предложенной Нильсом Бором. Используя такие короткие световые импульсы, мы теперь можем получать «мгновенные снимки» электронов в процессе их движения внутри атомов или молекул.
Про лауреатов
Вклад Анне Л’Юлье в развитие аттосекундной физики состоит в том, что она вместе с коллегами впервые наблюдала образование высоких гармоник лазерного излучения при его взаимодействии с атомами. Данный процесс лег в основу получения аттосекундных импульсов.
При генерации высоких гармоник излучение инфракрасного или видимого диапазона преобразуется в излучение с гораздо более высокой частотой колебаний электромагнитного поля. Это делает принципиально возможным получить аттосекундный импульс или последовательность таких импульсов, выделив одну или несколько осцилляций такого высокочастотного излучения.
Все нынешние лауреаты приложили много усилий к тому, чтобы сделать такие короткие вспышки как можно более контрастными и научиться управлять их характеристиками. Более того, они предложили и впервые реализовали методы измерения аттосекундных импульсов, как одиночных (Ференц Крауз), так и повторяющихся (Пьер Агостини).
Где применяются эти открытия
Пионерские работы нынешних лауреатов дали мощный импульс к разработке самых различных приложений аттосекундных импульсов, имеющих как фундаментальную, так и прикладную значимость.
- Были продемонстрированы возможности экспериментальных измерений задержек фотоионизации (исследования того, сколько времени понадобится электронам, находившимся вначале в тех или иных связанных состояниях внутри атомов, молекул или твердых тел, чтобы преодолеть кулоновское притяжение со стороны ядер и начать свободное движение, приводящее к возникновению фототока).
- Эксперименты, в которых с использованием аттосекундных импульсов удалось впервые зарегистрировать и прописать во времени электронные процессы внутри диэлектриков, приводящие к превращению этих диэлектриков в проводники и обратно под действием ультракоротких инфракрасных лазерных импульсов. Предполагается, что такие лазерно-индуцируемые быстрые переходы лягут в основу новых электронных переключателей и других устройств, до 10 тысяч раз более быстрых, чем в современной электронике.
- Большие успехи достигнуты и в применениях аттосекундных импульсов для зондирования перемещения электронов (или электронных возбуждений) вдоль молекул в различных физических, химических и биологических процессах.
Работы в области аттосекундной физики бурно развиваются и расширяются. Одним из перспективных направлений для получения ещё более ярких и коротких (вплоть до зептосекундных, т.е. в тысячу раз более коротких, чем аттосекундные) вспышек света является использование воздействия мощных лазерных импульсов на поверхности металлов.
Как ИПФ РАН связан с этим открытием
Сейчас Институт прикладной физики располагает почти всем оборудованием, необходимым для экспериментов в области аттосекундной физики. Особо отмечу лазерную установку, созданную в лаборатории лазеров с экстремальными параметрами. Она основана в большей степени на оригинальных разработках и обладает уникальными характеристиками, чрезвычайно полезными для эффективной генерации аттосекундных импульсов в газах и их применения.
Другое направление будущих экспериментальных исследований - создание источников излучения ещё более высокой яркости и короткой (вплоть до зептосекундной) длительности на основе релятивистских взаимодействий мощных лазерных импульсов с твердотельными мишенями. Такие источники дадут возможность зондирования процессов, связанных с движением нуклонов внутри атомных ядер. Такие работы будут проводиться совместно сотрудниками ИПФ РАН и Национального центра физики и математики под научным руководством Александра Михайловича Сергеева.