Временски интервал од једне атосекунде упоредив је с временом које је потребно електрону да обигра језгро атома, а то траје само 0,000000000000000001 секунди!
Нобелова награду за физику 2023. године припала је Пјеру Агостинију са Универзитета Охајо (САД), Ференцу Краусу из Макс Планк института за квантну оптику (Немачка) и Ани Л’Улије, професорки на Универзитету Лунд (Шведска) за „експерименталне методе које генеришу атосекундне пулсеве светлости за проучавање динамике електрона у материји”, како је образложено. На први поглед, а понајвише због сложености тог подручја физике, лаицима се може учинити да је ово откриће скромније по значају од неких других за која је раније додељено исто признање. На пример, за откриће дуго траженог Хигсовог бозона или гравитационих таласа чије је постојање још почетком 20. столећа предвидио Алберт Ајнштајн, верујући притом да никада неће бити направљен довољно прецизан инструмент који би их могао детектовати.
Но откриће атосекундних пулсева има велики научни значај и бројне могуће примене. До сада су разни уређаји попут телескопа омогућавали да откривамо појаве на веома великим космичким димензијама, а разни микроскопи на врло малим молекуларним. Атосекундни пулсеви омогућује сасвим нове пробоје – посматрање догађаја који се збивају у изузетно кратким временским интервалима. Дакле, ова технологија је револуционарна јер омогућује истраживање процеса који су толико брзи да их раније није било могуће пратити. „Сада можемо отворити врата свету електрона. Атосекундна физика пружа нам прилику да разумемо механизме који управљају електронима. Следећи корак биће њихово коришћење”, прокоментарисала је Ева Олсон, предсједница Нобеловог одбора за физику. Шта је то атосекундни пулс?
За почетак није наодмет предочити колико је кратак атосекундни пулс светлости, који траје само 10-18 секунди или 0,000000000000000001 секунди. Временски интервал од 1 атосекунде упоредив је с временом које је потребно електрону да обигра језгро атома. Електрон се око језгра креће изузетно брзо, а у том микросвету атосекундни пулс представља невероватно малени тренутак, готово непостојећи за уобичајено људско искуство времена. Наиме, атосекунда је толико кратка да их у једној секунди има отприлике онолико колико је секунди прошло од настанка свемира до данас.
Речена технологија постоји двадесетак година, што значи да су њене бројне примене тек пред нама. У медицини би се атосекундни пулсеви ласера могли користити за идентификацију различитих молекула, што може бити корисно у дијагностици. Примерице, могли би се користити за откривање одређених болести на темељу њихових јединствених молекуларних потписа.
Али и за проучавање динамике електрона на врло малим временским скалама. То би могло имати широку примену у физици, хемији и биологији. Рецимо, научници би могли направити тродимензионалне (3D) мапе електрона и снимити филмове о њиховом кретању пуштањем атосекундних светлосних пулсева кроз материјале. Kада тај пулс интереагује са електронима у материјалу, долази до његове дисторзије. Пратећи дисторзије, истраживачи би могли цртати 3D мапе електрона и снимати филмове о њиховом кретању.
Другим речима, потенцијалне примене се протежу од електронике до медицине. На пример, атосекундни пулсеви могу се користити за побуду молекула, а ови затим емитују сигнал који се може мерити. Он је нека врста молекулског отиска прста који открива какав је то молекул. У рачунарској технологији би се могли користити за манипулисање кретањима електрона на атосекундној временској скали, што одговара изузетно високој фреквенцији петахерца. Таква манипулација сматра се основом за фотоелектричне обраде информација на петахерцима, што би резултирало необично брзом обрадом података. Постојећи рачунарски чипови раде на скали наносекунди, тј. гигахерцима. Светлост која осцилира фреквенцијом петахерца довела би до повећања брзине обраде података за око милион пута у односу на оно што је сда могуће са конвенционалним рачунарима.
Kако настају атосекундни пулсеви светлости? Ултракратки бљескови светлости, познати као атосекундни пулсеви, стварају се кроз процес који се назива генерација високих хармоника или HHG. Да би их створили, истраживачи пропуштају фемтосекундне ласерске пулсеве (фемтосекунда = 10-15 секунди) кроз гасове, углавном племените (или инертне гасове) који су обично веома стабилни и ретко улазе у хемијске реакције с другим елементима. Хармоници настају када ласерска светлост интереагује са атомима гаса, дајући неким електронима додатну енергију коју они потом емитују као светлост. Наиме, електрони у атомима с додатном енергијом се подижу на вишу енергетску орбиталу с које потом падају емитујући, односно ослобађајући добијену енергију у облику светлости.
При томе је битно да фемтосекундни пулс који ствара хармонике буде што краћи (пожељно само неколико осцилација електричног поља) и што интензивнији (да би се електрон лакше ослободио од атома и потом јаче убрзао у пољу ласера). Виши хармоници електромагнетских таласа су пулсеви светлости на фреквенцијама које су вишекратници основне фреквенције ласерског зрачења. Kада се електромагнетски таласи хармоника наведу на преклапање и међусобну интерференцију, они се понегде поништавају (кад се сретну врх и долина таласа), а понегде појачавају (кад се сретну два врха) као на мору јада се понекад поништавају, а понекад појачавају. Тако настају пулсеви врло кратког трајања (слика испод).
Генерисани хармоници се коначно могу детектовати, анализирати и филтрирати. Ту се често користе технике као што су интерферометрија и спектроскопија. Одјек наведеног открића биће изразито велики, што је већ данас јасно. Сличнп се догодило пре двадесетак година када су фемтосекундни пулсеви постали шире доступни.
(Илустрација DALL-E)
(Индекс)
