Tärkeässä ilmoituksessa 3. lokakuuta 2023 iltana paljastettiin Nobelin fysiikan palkinto vuodelle 2023 ja tunnustetaan kolmen tutkijan erinomaisesta panoksesta, joilla on ollut keskeinen rooli edelläkävijöinä attosekundin lasertekniikan alalla.

Termi "attosekunnin laser" on saanut nimensä sen uskomattoman lyhyestä ajasta, jolla se toimii, erityisesti attosekuntien järjestyksessä, joka vastaa 10^-18 sekuntia. Tämän tekniikan syvällisen merkityksen ymmärtämiseksi on ensiarvoisen tärkeää ymmärtää, mitä attosekkunti tarkoittaa. Attosekkunti on äärimmäisen minuuttinen aikayksikkö, joka muodostaa sekunnin miljardisosan yhden sekunnin laajemmassa kontekstissa. Jos vertaamme sekuntia kohoavaan vuoreen, attosekkunti olisi kuin yksittäinen hiekanjyvä vuoren juurella. Tällä ohikiitävällä aikavälillä edes valo pystyy tuskin kulkemaan yksittäisen atomin kokoa vastaavan matkan. Attosekunnin lasereita hyödyntämällä tiedemiehet saavat ennennäkemättömän kyvyn tutkia ja manipuloida elektronien monimutkaista dynamiikkaa atomirakenteissa, mikä muistuttaa hidastettua toistoa kuvalta ruudulta elokuvallisessa sekvenssissä, ja siten sukeltaa niiden vuorovaikutukseen.

Attosekunnin laseritedustavat laajan tutkimuksen ja tutkijoiden yhteisten ponnistelujen huipentumaa. He ovat hyödyntäneet epälineaarisen optiikan periaatteita ultranopeiden lasereiden valmistuksessa. Niiden tulo on tarjonnut meille innovatiivisen näkökulman kiinteiden aineiden atomeissa, molekyyleissä ja jopa elektroneissa tapahtuvien dynaamisten prosessien havainnointiin ja tutkimiseen.

Jotta attosekunnin lasereiden luonne voidaan selvittää ja niiden epätavallisia ominaisuuksia perinteisiin lasereihin verrattuna arvostaa, on välttämätöntä tutkia niiden luokittelu laajemman "laserperheen" sisällä. Luokittelu aallonpituuden mukaan sijoittaa attosekuntilaserit pääasiassa ultraviolettisäteilyn ja pehmeän röntgensäteen taajuuksien alueelle, mikä tarkoittaa niiden huomattavasti lyhyempiä aallonpituuksia verrattuna perinteisiin lasereihin. Ulostulotilojen osalta attosekunnin laserit kuuluvat pulssilaserien luokkaan, jolle on tunnusomaista niiden erittäin lyhyt pulssikesto. Selvyyden vuoksi analogian vetämiseksi voidaan kuvitella, että jatkuvan aallon laserit ovat samanlaisia ​​kuin taskulamppu, joka lähettää jatkuvan valonsäteen, kun taas pulssilaserit muistuttavat stroboskovaloa, joka vaihtelee nopeasti valaistuksen ja pimeyden jaksojen välillä. Pohjimmiltaan attosekunditeillä lasereilla on sykkivä käyttäytyminen valaistuksessa ja pimeydessä, mutta niiden siirtyminen näiden kahden tilan välillä tapahtuu hämmästyttävällä taajuudella ja saavuttaa attosekuntien alueen.

Tehon mukaan luokittelu lisää laserit pienitehoisiin, keskitehoisiin ja suuritehoisiin kiinnikkeisiin. Attosekuntilaserit saavuttavat korkean huipputehon äärimmäisen lyhyiden pulssien kestoista johtuen, mikä johtaa voimakkaaseen huipputehoon (P), joka määritellään energian intensiteetiksi aikayksikköä kohti (P=W/t). Vaikka yksittäisillä attosekuntisilla laserpulsseilla ei välttämättä ole poikkeuksellisen suurta energiaa (W), niiden lyhennetty ajallinen laajuus (t) antaa niille kohonneen huipputehon.

Mitä tulee sovellusalueisiin, laserit kattavat teolliset, lääketieteelliset ja tieteelliset sovellukset. Attosekuntilaserit löytävät markkinaraon ensisijaisesti tieteellisen tutkimuksen piirissä, erityisesti nopeasti kehittyvien ilmiöiden tutkimisessa fysiikan ja kemian aloilla, tarjoten ikkunan mikrokosmisen maailman nopeisiin dynaamisiin prosesseihin.

Luokittelu laserväliaineella määrittelee laserit kaasulasereiksi, solid-state-lasereiksi, nestelasereiksi ja puolijohdelasereiksi. Attosekuntilaserien tuotanto perustuu tyypillisesti kaasulasermediaan, mikä hyödyntää epälineaarisia optisia tehosteita korkean kertaluvun harmonisten luomiseksi.

Yhteenvetona voidaan todeta, että attosekuntilaserit muodostavat ainutlaatuisen luokan lyhytpulssisia lasereita, jotka erottuvat poikkeuksellisen lyhyistä pulssin kestoista, jotka mitataan tyypillisesti attosekunteina. Tämän seurauksena niistä on tullut välttämättömiä työkaluja elektronien ultranopeiden dynaamisten prosessien tarkkailuun ja ohjaamiseen atomeissa, molekyyleissä ja kiinteissä materiaaleissa.

Attosekundilaserin luomisen pitkälle kehitetty prosessi

Attosekunnin lasertekniikka on tieteellisen innovaation eturintamassa, ja sen sukupolvelle on kiehtovan tiukat edellytykset. Selvittääksemme attosekunnin lasergeneroinnin monimutkaisuutta, aloitamme sen taustalla olevien periaatteiden ytimekkäällä esittelyllä, jota seuraa eläviä metaforia, jotka ovat peräisin jokapäiväisistä kokemuksista. Lukijoiden, jotka eivät ole perehtyneet asiaankuuluvan fysiikan monimutkaisuuksiin, ei tarvitse vaipua epätoivoon, sillä seuraavien metaforien tarkoituksena on tehdä attosekuntilaserien perusfysiikka saataville.

Attosekkuntien lasereiden tuotantoprosessi perustuu ensisijaisesti tekniikkaan, joka tunnetaan nimellä High Harmonic Generation (HHG). Ensinnäkin korkean intensiteetin femtosekuntien (10^-15 sekuntia) laserpulssien säde kohdistetaan tiukasti kaasumaiseen kohdemateriaaliin. On syytä huomata, että femtosekunditeillä lasereilla, jotka ovat samankaltaisia ​​kuin attosekuntilasereilla, on lyhyt pulssikesto ja korkea huipputeho. Voimakkaan laserkentän vaikutuksesta kaasuatomien elektronit vapautuvat hetkellisesti atomiytimistään ja siirtyvät väliaikaisesti vapaiden elektronien tilaan. Kun nämä elektronit värähtelevät vasteena laserkenttään, ne lopulta palaavat alkuperäisiin atomiytimiinsä ja yhdistyvät uudelleen luoden uusia korkean energian tiloja.

Tämän prosessin aikana elektronit liikkuvat äärimmäisen suurilla nopeuksilla ja atomiytimien kanssa rekombinoituessaan vapauttavat lisäenergiaa korkeiden harmonisten päästöjen muodossa, jotka ilmenevät korkeaenergisinä fotoneina.

Näiden äskettäin luotujen korkean energian fotonien taajuudet ovat alkuperäisen lasertaajuuden kokonaislukukertoja, jotka muodostavat niin sanottuja korkean kertaluvun harmonisia, missä "harmoniset" tarkoittaa taajuuksia, jotka ovat alkuperäisen taajuuden integraalikertoja. Attosekuntien lasereiden saavuttamiseksi tulee välttämättömäksi suodattaa ja fokusoida nämä korkean kertaluokan harmoniset yliaallot valitsemalla tietyt harmoniset ja keskittämällä ne polttopisteeseen. Pulssin kompressointitekniikat voivat haluttaessa lyhentää pulssin kestoa edelleen, jolloin saadaan ultralyhyitä pulsseja attosekuntien alueella. On selvää, että attosekuntilaserien tuotanto on pitkälle kehitetty ja monipuolinen prosessi, joka vaatii korkeaa teknistä suorituskykyä ja erikoislaitteita.

Tämän monimutkaisen prosessin mystifioimiseksi tarjoamme metaforisen rinnakkaisuuden, joka perustuu jokapäiväisiin skenaarioihin:

Korkean intensiteetin femtosekundin laserpulssit:

Kuvittele, että sinulla on poikkeuksellisen voimakas katapultti, joka pystyy välittömästi heittelemään kiviä valtavia nopeuksia, mikä muistuttaa korkean intensiteetin femtosekuntien laserpulssien roolia.

Kaasumainen kohdemateriaali:

Kuvittele rauhallinen vesistö, joka symboloi kaasumaista kohdemateriaalia, jossa jokainen vesipisara edustaa lukemattomia kaasuatomeja. Kivien työntäminen tähän vesistöihin heijastaa samalla tavalla korkean intensiteetin femtosekundin laserpulssien vaikutusta kaasumaiseen kohdemateriaaliin.

Elektronien liike ja rekombinaatio (fyysisesti nimitetty siirtymä):

Kun femtosekunnin laserpulssit iskevät kaasumaisen kohdemateriaalin kaasuatomeihin, huomattava määrä ulkoisia elektroneja virittyy hetkellisesti tilaan, jossa ne irtoavat vastaavista atomiytimistään muodostaen plasman kaltaisen tilan. Kun järjestelmän energia myöhemmin vähenee (koska laserpulssit ovat luonnostaan ​​pulsseja, joissa on pysähtymisvälejä), nämä ulommat elektronit palaavat atomiytimien läheisyyteen vapauttaen korkean energian fotoneja.

Korkea harmoninen sukupolvi:

Kuvittele joka kerta kun vesipisara putoaa takaisin järven pintaan, se luo aaltoilua, aivan kuten korkeat harmoniset attosekunnin laserit. Näillä aaltoiluilla on korkeammat taajuudet ja amplitudit kuin alkuperäisen femtosekundin laserpulssin aiheuttamilla aaltoiluilla. HHG-prosessin aikana voimakas lasersäde, joka muistuttaa jatkuvasti heitteleviä kiviä, valaisee kaasukohteen, joka muistuttaa järven pintaa. Tämä voimakas laserkenttä ajaa kaasussa olevat elektronit aaltoilun tapaan pois emoatomeistaan ​​ja vetää ne sitten takaisin. Joka kerta kun elektroni palaa atomiin, se lähettää uuden lasersäteen korkeammalla taajuudella, joka muistuttaa monimutkaisempia aaltoilukuvioita.

Suodatus ja tarkennus:

Kaikkien näiden uusien lasersäteiden yhdistäminen tuottaa erilaisia ​​värejä (taajuuksia tai aallonpituuksia), joista osa muodostaa attosekunnin laserin. Eristääksesi tietyt aaltoilukoot ja -taajuudet voit käyttää erikoissuodatinta, joka muistuttaa haluttujen aaltoilujen valitsemista, ja käyttää suurennuslasia tarkentamaan ne tietylle alueelle.

Pulssin kompressio (tarvittaessa):

Jos haluat levittää aaltoilua nopeammin ja lyhyemmin, voit nopeuttaa niiden leviämistä käyttämällä erikoislaitetta, mikä lyhentää kunkin värähtelyn kestoa. Attosekuntilaserien luomiseen liittyy monimutkainen prosessien vuorovaikutus. Kuitenkin, kun se puretaan ja visualisoidaan, se tulee ymmärrettävämmäksi.