U važnoj najavi u večernjim satima 3. listopada 2023. godine, otkrivena je Nobelova nagrada za fiziku za 2023. godinu, priznajući izvanredne doprinose tri znanstvenika koji su igrali glavne uloge kao pioniri u području tehnologije attosekunde lasera.

Izraz "attosekund laser" dobiva svoje ime po nevjerojatno kratkom vremenskom rasponu na kojem djeluje, posebno redoslijedom attosekundi, što odgovara 10^-18 sekundi. Da biste shvatili dubok značaj ove tehnologije, najvažnije je temeljno razumijevanje onoga što attosekunda znači. Attosekunda je izuzetno minutna jedinica vremena, što čini milijardu milijarde sekunde u širem kontekstu jedne sekunde. Da to stavimo u perspektivu, ako bismo usporedili sekundu s visokom planinom, attosekunda bi bila slična jednom zrnu pijeska smještenog u planinskoj bazi. U ovom prolaznom vremenskom intervalu, čak i svjetlost jedva može preći udaljenost ekvivalentnu veličini pojedinog atoma. Korištenje attosekundnih lasera, znanstvenici steknu neviđenu sposobnost pregledavanja i manipuliranja zamršenom dinamikom elektrona unutar atomskih struktura, slične usporenoj reprodukciji okvira po okviru u kinematografskom slijedu, čime se probijaju u njihovu interakciju.

Attosekundi laseriPredstavljaju vrhunac opsežnih istraživačkih i usklađenih napora znanstvenika, koji su iskoristili načela nelinearne optike za izradu ultra brze lasere. Njihov je nastup pružio inovativno pogledu za promatranje i istraživanje dinamičkih procesa koji se transpiriraju unutar atoma, molekula, pa čak i elektrona u čvrstim materijalima.

Da biste razjasnili prirodu attosekundi lasera i cijenili njihove nekonvencionalne atribute u usporedbi s konvencionalnim laserima, neophodno je istražiti njihovu kategorizaciju unutar šire "laserske obitelji". Klasifikacija po valnoj duljini mjesta attosekund lasera pretežno unutar raspona ultraljubičastog do mekih frekvencija rendgenskih zraka, što označava njihove značajno kraće valne duljine za razliku od konvencionalnih lasera. U smislu izlaznih načina, attosekundi laseri spadaju u kategoriju pulsiranih lasera, karakterizirane njihovim izuzetno kratkim trajanjima pulsa. Da biste nacrtali analogiju jasnoći, može se zamisliti lasere kontinuiranog vala kao slična svjetiljku koja emitira kontinuiranu snopu svjetlosti, dok pulsni laseri nalikuju stroboj svjetlosti, brzo se izmjenjuju između razdoblja osvjetljenja i tame. U osnovi, attosekundi laseri pokazuju pulsirajuće ponašanje unutar osvjetljenja i tame, ali njihov prijelaz između dviju država prelazi zadivljujuću frekvenciju, dostižući područje attosekundi.

Daljnja kategorizacija napajanjem stavlja lasere u nosače male snage, srednje snage i velike snage. Attosekundi laseri postižu visoku vršnu snagu zbog izuzetno kratkih trajanja impulsa, što rezultira izraženom vršnom snagom (P) - definiranom kao intenzitetom energije po jedinici vremena (p = w/t). Iako pojedinačni attosekundi laserski impulsi možda ne posjeduju izuzetno veliku energiju (W), njihov skraćeni vremenski opseg (t) daje ih povišenom vršnom snagom.

U smislu domena aplikacije, laseri obuhvaćaju spektar koji obuhvaća industrijsku, medicinsku i znanstvenu primjenu. Attosekundi laseri prvenstveno pronalaze svoju nišu u području znanstvenih istraživanja, posebno u istraživanju brzo razvijajućih pojava unutar domena fizike i kemije, nudeći prozor u brzo dinamične procese mikrokozmičkog svijeta.

Kategorizacija laserskih srednjih lasera kao plinski laseri, laseri u čvrstom stanju, tekući laseri i poluvodički laseri. Generacija attosekundi lasera obično ovisi o plinskim laserskim medijima, iskorištavajući nelinearne optičke učinke kako bi stvorile harmonike visokog reda.

Ukratko, attosekundi laseri čine jedinstvenu klasu lasera kratkog pulsa, koja se razlikuje po njihovim neobično kratkim trajanjima impulsa, obično mjerenih u attosekundama. Kao rezultat toga, oni su postali neophodni alati za promatranje i kontrolu ultra brzih dinamičkih procesa elektrona unutar atoma, molekula i čvrstih materijala.

Razrađeni proces attosekunde laserske generacije

Attosekunda laserska tehnologija stoji na čelu znanstvenih inovacija, hvalivši se intrigantno strogim skupom uvjeta za svoju generaciju. Da bismo razjasnili sitnice attosekundne laserske generacije, započinjemo sa sažetim izlaganjem njegovih temeljnih načela, nakon čega slijede živopisne metafore izvedene iz svakodnevnih iskustava. Čitatelji neprekidni u zamršenosti relevantne fizike ne moraju očajavati, jer uslijede metafore imaju za cilj učiniti temeljnu fiziku attosekundnih lasera dostupnim.

Proces stvaranja attosekundi lasera prvenstveno se oslanja na tehniku ​​poznatu kao visoka harmonična generacija (HHG). Prvo, laserski impuls visokog intenziteta visokog intenziteta (10^-15 sekundi) čvrsto je usredotočen na plinoviti ciljni materijal. Vrijedno je napomenuti da femtosekundi laseri, slični attosekundnim laserima, dijele karakteristike posjedovanja kratkih trajanja pulsa i visoke vršne snage. Pod utjecajem intenzivnog laserskog polja, elektroni unutar atoma plina na trenutak su oslobođeni svojih atomskih jezgara, prolazno ulazeći u stanje slobodnih elektrona. Dok ovi elektroni osciliraju kao odgovor na lasersko polje, oni se na kraju vraćaju i rekombiniraju svojim matičnim atomskim jezgrama, stvarajući nova visokoenergetska stanja.

Tijekom ovog procesa, elektroni se kreću izuzetno visokim brzinama, a nakon rekombinacije atomskim jezgrama oslobađaju dodatnu energiju u obliku visokih harmoničnih emisija, što se manifestira kao visokoenergetski fotoni.

Učestalosti ovih novo generiranih visokoenergetskih fotona su cjelobrojni višestruki višestruki laserski frekvencija, formirajući ono što se naziva harmonikama visokog reda, gdje "harmonike" označava frekvencije koje su integralne višestruke frekvencije. Da bi se postigli attosekundi laseri, postaje potrebno filtrirati i usredotočiti ove harmonike visokog reda, odabirom specifičnih harmonika i koncentriranjem ih u žarište. Po želji, tehnike kompresije impulsa mogu dodatno skraćivati ​​trajanje impulsa, dajući ultra-kratke impulse u rasponu attosekunde. Očigledno je da stvaranje attosekundi lasera predstavlja sofisticiran i višestruki proces, zahtijevajući visok stupanj tehničke vještine i specijalizirane opreme.

Da bismo demistificirali ovaj zamršeni postupak, nudimo metaforičku paralelu utemeljenu u svakodnevnim scenarijima:

Femtosekundi laserskih impulsa visokog intenziteta:

Envision koji posjeduje izuzetno snažan katapult koji je sposoban za trenutno bacanje kamenja na kolosalne brzine, sličan ulozi koju igraju femtosekundi laserskih impulsa visokog intenziteta.

Gaseovi ciljni materijal:

Zamislite mirno vodno tijelo koje simbolizira plinoviti ciljni materijal, gdje svaka kapljica vode predstavlja bezbroj atoma plina. Čin pokretanja kamenja u ovo tijelo vode analogno zrcali utjecaj femtosekundnih laserskih impulsa visokog intenziteta na plinoviti ciljni materijal.

Pomicanje i rekombinacija elektrona (fizički nazvan prijelaz):

Kad femtosekundni laserski impulsi utječu na atome plina unutar plinovitog ciljanog materijala, značajan broj vanjskih elektrona na trenutak se uzbuđuje u stanje u kojem se odvajaju od svojih atomskih jezgara, formirajući stanje nalik plazmi. Kako se energija sustava naknadno smanjuje (budući da su laserski impulsi inherentno pulsirani, koji sadrže intervale prestanka), ti vanjski elektroni vraćaju se u svoju blizinu atomskih jezgara, oslobađajući visokoenergetske fotone.

Visoka harmonična generacija:

Zamislite da se svaki put kada kapljica vode vrati na površinu jezera, ona stvara pukotine, slično kao visoke harmonike u attosekundnim laserima. Ove pukotine imaju veće frekvencije i amplitude od originalnih pukotina uzrokovanih primarnim femtosekundnim laserskim impulsom. Tijekom postupka HHG -a, moćna laserska zraka, srodna kontinuiranom bacanju kamenja, osvjetljava metu plina, nalik površini jezera. Ovo intenzivno lasersko polje pokreće elektrone u plinu, analogno pukotinama, daleko od njihovih matičnih atoma, a zatim ih povlači natrag. Svaki put kada se elektron vrati na atom, emitira novu lasersku zraku s višom frekvencijom, sličnom zamršenijim uzorcima pucanja.

Filtriranje i fokusiranje:

Kombinacija svih ovih novo generiranih laserskih zraka daje spektar različitih boja (frekvencije ili valne duljine), od kojih neke čine attosekundi laser. Da biste izolirali određene veličine i frekvencije pucanja, možete upotrijebiti specijalizirani filter, sličan odabiru željenih pukotina i upotrijebiti povećalo kako biste ih usredotočili na određeno područje.

Kompresija pulsa (ako je potrebno):

Ako nastojite brže i kraće propagirati pukotine, možete ubrzati njihovo širenje pomoću specijaliziranog uređaja, smanjujući vrijeme koje svako pukotine traje. Stvaranje attosekundi lasera uključuje složenu interakciju procesa. Međutim, kad se pokvari i vizualizira, postaje razumljiviji.