Vremenski interval od jedne atosekunde uporediv je s vremenom koje je potrebno elektronu da obigra jezgro atoma, a to traje samo 0,000000000000000001 sekundi!
Nobelova nagradu za fiziku 2023. godine pripala je Pjeru Agostiniju sa Univerziteta Ohajo (SAD), Ferencu Krausu iz Maks Plank instituta za kvantnu optiku (Nemačka) i Ani L’Ulije, profesorki na Univerzitetu Lund (Švedska)za „eksperimentalne metode koje generišu atosekundne pulseve svetlosti za proučavanje dinamike elektrona u materiji”, kako je obrazloženo.Na prvi pogled, a ponajviše zbog složenosti tog područja fizike, laicima se može učiniti da je ovo otkriće skromnije po značaju od nekih drugih za koja je ranije dodeljeno isto priznanje. Na primer, za otkriće dugo traženog Higsovog bozona ili gravitacionih talasa čije je postojanje još početkom 20. stoleća predvidio Albert Ajnštajn, verujući pritom da nikada neće biti napravljen dovoljno precizan instrument koji bi ih mogao detektovati.
No otkriće atosekundnih pulseva ima veliki naučni značaj i brojne moguće primene.Do sada su razni uređaji poput teleskopa omogućavali da otkrivamo pojave na veoma velikim kosmičkim dimenzijama, a razni mikroskopi na vrlo malim molekularnim. Atosekundni pulsevi omogućuje sasvim nove proboje – posmatranje događaja koji se zbivaju u izuzetno kratkim vremenskim intervalima.Dakle, ova tehnologija je revolucionarna jer omogućuje istraživanje procesa koji su toliko brzi da ih ranije nije bilo moguće pratiti. „Sada možemo otvoriti vrata svetu elektrona. Atosekundna fizika pruža nam priliku da razumemo mehanizme koji upravljaju elektronima. Sledeći korak biće njihovo korišćenje”, prokomentarisala je Eva Olson, predsjednica Nobelovog odbora za fiziku.Šta je to atosekundni puls?
Za početak nije naodmet predočiti koliko je kratak atosekundni puls svetlosti, koji traje samo 10-18 sekundi ili 0,000000000000000001 sekundi.Vremenski interval od 1 atosekunde uporediv je s vremenom koje je potrebno elektronu da obigra jezgro atoma. Elektron se oko jezgra kreće izuzetno brzo, a u tom mikrosvetu atosekundni puls predstavlja neverovatno maleni trenutak, gotovo nepostojeći za uobičajeno ljudsko iskustvo vremena. Naime,atosekunda je toliko kratka da ih u jednoj sekundi ima otprilike onoliko koliko je sekundi prošlo od nastanka svemira do danas.
Rečena tehnologija postoji dvadesetak godina, što znači da su njene brojne primene tek pred nama.U medicini bi se atosekundni pulsevi lasera mogli koristiti za identifikaciju različitih molekula, što može biti korisno u dijagnostici. Primerice, mogli bi se koristiti za otkrivanje određenih bolesti na temelju njihovih jedinstvenih molekularnih potpisa.
Ali i za proučavanje dinamike elektrona na vrlo malim vremenskim skalama. To bi moglo imati široku primenu u fizici, hemiji i biologiji. Recimo, naučnici bi mogli napraviti trodimenzionalne (3D) mape elektrona i snimiti filmove o njihovom kretanju puštanjem atosekundnih svetlosnih pulseva kroz materijale. Kada taj puls intereaguje sa elektronima u materijalu, dolazi do njegove distorzije. Prateći distorzije, istraživači bi mogli crtati 3D mape elektrona i snimati filmove o njihovom kretanju.
Drugim rečima, potencijalne primene se protežu od elektronike do medicine. Na primer, atosekundni pulsevi mogu se koristiti za pobudu molekula, a ovi zatim emituju signal koji se može meriti. On je neka vrsta molekulskog otiska prsta koji otkriva kakav je to molekul.U računarskoj tehnologiji bi se mogli koristiti za manipulisanje kretanjima elektrona na atosekundnoj vremenskoj skali, što odgovara izuzetno visokoj frekvenciji petaherca. Takva manipulacija smatra se osnovom za fotoelektrične obrade informacija na petahercima, što bi rezultiralo neobično brzom obradom podataka. Postojeći računarski čipovi rade na skali nanosekundi, tj. gigahercima. Svetlost koja oscilira frekvencijom petaherca dovela bi do povećanja brzine obrade podataka za oko milion puta u odnosu na ono što je sda moguće sa konvencionalnim računarima.
Kako nastaju atosekundni pulsevi svetlosti?Ultrakratki bljeskovi svetlosti, poznati kao atosekundni pulsevi, stvaraju se kroz proces koji se naziva generacija visokih harmonika ili HHG. Da bi ih stvorili, istraživači propuštaju femtosekundne laserske pulseve (femtosekunda = 10-15 sekundi) kroz gasove, uglavnom plemenite (ili inertne gasove) koji su obično veoma stabilni i retko ulaze u hemijske reakcije s drugim elementima.Harmonici nastaju kada laserska svetlost intereaguje sa atomima gasa, dajući nekim elektronima dodatnu energiju koju oni potom emituju kao svetlost. Naime, elektroni u atomima s dodatnom energijom se podižu na višu energetsku orbitalu s koje potom padaju emitujući, odnosno oslobađajući dobijenu energiju u obliku svetlosti.
Pri tome je bitno da femtosekundni puls koji stvara harmonike bude što kraći (poželjno samo nekoliko oscilacija električnog polja) i što intenzivniji (da bi se elektron lakše oslobodio od atoma i potom jače ubrzao u polju lasera).Viši harmonici elektromagnetskih talasa su pulsevi svetlosti na frekvencijama koje su višekratnici osnovne frekvencije laserskog zračenja.Kada se elektromagnetski talasi harmonika navedu na preklapanje i međusobnu interferenciju, oni se ponegde poništavaju (kad se sretnu vrh i dolina talasa), a ponegde pojačavaju (kad se sretnu dva vrha) kao na moru jada se ponekad poništavaju, a ponekad pojačavaju. Tako nastaju pulsevi vrlo kratkog trajanja (slika ispod).
Generisani harmonici se konačno mogu detektovati, analizirati i filtrirati. Tu se često koriste tehnike kao što su interferometrija i spektroskopija.Odjek navedenog otkrića biće izrazito veliki, što je već danas jasno. Sličnp se dogodilo pre dvadesetak godina kada su femtosekundni pulsevi postali šire dostupni.
(Ilustracija DALL-E)
(Indeks)
