Lokakuun 3. päivän iltana 2023 annettiin merkittävä ilmoitus vuoden 2023 fysiikan Nobelin palkinnon julkistamisesta. Palkinto myönnettiin tunnustuksena kolmen tiedemiehen merkittäville saavutuksille, jotka ovat olleet keskeisessä roolissa attosekuntilaserteknologian pioneereina.

Termi "attosekuntilaser" on johdettu uskomattoman lyhyestä aikaskaalasta, jolla se toimii, tarkemmin sanottuna attosekuntien luokkaa, joka vastaa 10^-18 sekuntia. Tämän teknologian syvällisen merkityksen ymmärtämiseksi on ensiarvoisen tärkeää ymmärtää perusteellisesti, mitä attosekunti tarkoittaa. Attosekunti on erittäin pieni aikayksikkö, joka muodostaa yhden miljardisosan sekunnin miljardisosasta yhden sekunnin laajemmassa kontekstissa. Jotta tämä saataisiin perspektiiviin, jos vertaisimme sekuntia kohoavaan vuoreen, attosekunti olisi kuin yksi hiekanjyvä vuoren juurella. Tässä ohikiitävässä ajassa edes valo voi tuskin kulkea yksittäisen atomin kokoisen matkan. Attosekuntilasereiden avulla tiedemiehet saavat ennennäkemättömän kyvyn tutkia ja manipuloida elektronien monimutkaista dynamiikkaa atomirakenteissa, aivan kuin elokuvamainen hidastettu toisto ruutu ruudulta, ja siten syventyä niiden vuorovaikutukseen.

Attosekuntilaseritedustavat tutkijoiden laajan tutkimuksen ja yhteisten ponnistelujen huipentumaa, kun he ovat valjastaneet epälineaarisen optiikan periaatteet ultranopeiden lasereiden kehittämiseen. Niiden keksiminen on tarjonnut meille innovatiivisen näkökulman atomien, molekyylien ja jopa kiinteiden materiaalien elektronien dynaamisten prosessien havainnointiin ja tutkimiseen.

Attosekuntilasereiden luonteen selvittämiseksi ja niiden epätavanomaisten ominaisuuksien arvioimiseksi perinteisiin lasereihin verrattuna on välttämätöntä tutkia niiden luokittelua laajemman "laserien perheen" sisällä. Aallonpituuden mukainen luokittelu sijoittaa attosekuntilaserit pääasiassa ultravioletti- ja pehmeiden röntgensäteiden taajuuksien alueelle, mikä tarkoittaa niiden huomattavasti lyhyempiä aallonpituuksia perinteisiin lasereihin verrattuna. Lähtömoodien osalta attosekuntilaserit kuuluvat pulssilasereiden luokkaan, joille on ominaista erittäin lyhyt pulssin kesto. Selvyyden vuoksi analogian vetäminen: jatkuvaaaltolaserit voidaan kuvitella taskulampun kaltaisiksi, joka lähettää jatkuvaa valonsädettä, kun taas pulssilaserit muistuttavat stroboskooppia, joka vaihtelee nopeasti valaistus- ja pimeysjaksojen välillä. Pohjimmiltaan attosekuntilaserit osoittavat pulssimaista käyttäytymistä valaistuksen ja pimeyden sisällä, mutta niiden siirtyminen näiden kahden tilan välillä tapahtuu hämmästyttävällä taajuudella, saavuttaen attosekuntien tason.

Tehon mukainen tarkempi luokittelu jakaa laserit pienitehoisiin, keskitehoisiin ja suuritehoisiin luokkiin. Attosekuntilaserit saavuttavat suuren huipputehon erittäin lyhyiden pulssien kestojensa ansiosta, mikä johtaa huomattavaan huipputehoon (P) – joka määritellään energian intensiteetiksi aikayksikköä kohti (P=W/t). Vaikka yksittäisillä attosekuntilaserpulsseilla ei välttämättä ole poikkeuksellisen suurta energiaa (W), niiden lyhennetty ajallinen laajuus (t) antaa niille korkeamman huipputehon.

Sovellusalueiden osalta laserit kattavat laajan kirjon teollisia, lääketieteellisiä ja tieteellisiä sovelluksia. Attosekuntilaserit löytävät paikkansa ensisijaisesti tieteellisen tutkimuksen alueella, erityisesti fysiikan ja kemian nopeasti kehittyvien ilmiöiden tutkimisessa, tarjoten ikkunan mikrokosmisen maailman nopeisiin dynaamisiin prosesseihin.

Laserväliaineen mukainen luokittelu rajaa laserit kaasulasereiksi, kiinteän olomuodon lasereiksi, nestemäisiksi lasereiksi ja puolijohdelasereiksi. Attosekuntilasereiden syntyminen perustuu tyypillisesti kaasulaserväliaineeseen, jossa hyödynnetään epälineaarisia optisia vaikutuksia korkeamman asteen harmonisten aikaansaamiseksi.

Yhteenvetona voidaan todeta, että attosekuntilaserit muodostavat ainutlaatuisen lyhytpulssilasereiden luokan, joille on ominaista poikkeuksellisen lyhyet pulssin kestot, tyypillisesti mitattuna attosekunteina. Tämän seurauksena niistä on tullut välttämättömiä työkaluja atomien, molekyylien ja kiinteiden materiaalien elektronien ultranopeiden dynaamisten prosessien havainnointiin ja hallintaan.

Attosekunnin laserin generoinnin monimutkainen prosessi

Attosekuntilaserteknologia on tieteellisen innovaation eturintamassa, ja sen luomiselle asetetut olosuhteet ovat kiehtovan tiukat. Selventääksemme attosekuntilasereiden luomisen monimutkaisuuksia aloitamme ytimekkäällä esittelyllä sen taustalla olevista periaatteista, jota seuraavat elävät kielikuvat, jotka on johdettu arkipäivän kokemuksista. Lukijoiden, jotka eivät ole perehtyneet asiaankuuluvaan fysiikkaan, ei tarvitse vaipua epätoivoon, sillä seuraavat kielikuvat pyrkivät tekemään attosekuntilasereiden perusfysiikan ymmärrettäväksi.

Attosekuntilasereiden generointiprosessi perustuu pääasiassa tekniikkaan, joka tunnetaan nimellä High Harmonic Generation (HHG). Ensinnäkin korkean intensiteetin femtosekunnin (10^-15 sekuntia) laserpulssien säde kohdistetaan tiukasti kaasumaiseen kohdemateriaaliin. On syytä huomata, että femtosekuntilasereilla, kuten attosekuntilasereilla, on lyhyet pulssien kestot ja korkea huipputeho. Voimakkaan laserkentän vaikutuksesta kaasuatomien elektronit vapautuvat hetkellisesti atomiytimistään ja siirtyvät ohimenevästi vapaiden elektronien tilaan. Kun nämä elektronit värähtelevät laserkentän vaikutuksesta, ne lopulta palaavat emoatomiytimiinsä ja yhdistyvät niiden kanssa luoden uusia korkeaenergisiä tiloja.

Tämän prosessin aikana elektronit liikkuvat erittäin suurilla nopeuksilla, ja rekombinoituessaan atomiytimien kanssa ne vapauttavat lisää energiaa korkeiden harmonisten emissioiden muodossa, jotka ilmenevät korkeaenergisinä fotoneina.

Näiden uusien, suurenergisten fotonien taajuudet ovat alkuperäisen laserin taajuuden kokonaislukukertoja, muodostaen niin sanottuja korkeamman asteen harmonisia, joissa "harmoniset" tarkoittavat taajuuksia, jotka ovat alkuperäisen taajuuden kokonaislukukertoja. Attosekuntilasereiden saavuttamiseksi on tarpeen suodattaa ja fokusoida nämä korkeamman asteen harmoniset, valita tiettyjä harmonisia ja keskittää ne polttopisteeseen. Haluttaessa pulssinkompressiotekniikoilla voidaan lyhentää pulssin kestoa entisestään, jolloin saadaan erittäin lyhyitä pulsseja attosekuntialueella. Attosekuntilasereiden generointi on ilmeisesti hienostunut ja monitahoinen prosessi, joka vaatii korkeaa teknistä osaamista ja erikoislaitteita.

Tämän monimutkaisen prosessin mysteerin selvittämiseksi tarjoamme metaforisen rinnastuksen, joka perustuu arkipäivän tilanteisiin:

Korkean intensiteetin femtosekuntilaserpulssit:

Kuvittele hallussaan poikkeuksellisen tehokas katapultti, joka kykenee heittämään kiviä välittömästi valtavalla nopeudella, samalla tavalla kuin korkean intensiteetin femtosekuntilaserpulssit.

Kaasumainen kohdemateriaali:

Kuvittele tyyni vesistö, joka symboloi kaasumaista kohdemateriaalia, jossa jokainen vesipisara edustaa lukemattomia kaasuatomeja. Kivien sinkoaminen tähän vesistöön peilaa analogisesti korkean intensiteetin femtosekuntilaserpulssien vaikutusta kaasumaiseen kohdemateriaaliin.

Elektronien liike ja rekombinaatio (fysikaalisesti nimeltään siirtymä):

Kun femtosekuntilaserpulssit osuvat kaasumaisen kohdemateriaalin kaasuatomeihin, merkittävä määrä ulompia elektroneja virittyy hetkellisesti tilaan, jossa ne irtoavat omista atomiytimistään muodostaen plasmamaisen tilan. Kun järjestelmän energia myöhemmin vähenee (koska laserpulssit ovat luonnostaan ​​pulsseja, joihin liittyy taukoja), nämä ulommat elektronit palaavat atomiytimien läheisyyteen vapauttaen korkeaenergisiä fotoneja.

Korkean harmonisen generointi:

Kuvittele, että joka kerta, kun vesipisara putoaa takaisin järven pinnalle, se luo väreilyä, aivan kuten attosekuntilasereiden korkeita harmonisia yliaaltoja. Näillä väreilyillä on korkeammat taajuudet ja amplitudit kuin alkuperäisillä femtosekuntilaserpulssin aiheuttamilla väreilyillä. HHG-prosessin aikana voimakas lasersäde, joka muistuttaa jatkuvasti heiteltäviä kiviä, valaisee kaasukohteen, joka muistuttaa järven pintaa. Tämä voimakas laserkenttä kuljettaa kaasun elektroneja, kuten väreilyä, pois emoatomistaan ​​ja vetää ne sitten takaisin. Joka kerta, kun elektroni palaa atomiin, se lähettää uuden lasersäteen korkeammalla taajuudella, mikä muistuttaa monimutkaisempia väreilykuvioita.

Suodatus ja tarkennus:

Kaikkien näiden uusien lasersäteiden yhdistäminen tuottaa eri värien (taajuuksien tai aallonpituuksien) spektrin, josta osa muodostaa attosekuntilaser. Tiettyjen aaltojen kokojen ja taajuuksien eristämiseksi voit käyttää erikoissuodatinta, joka muistuttaa haluttujen aaltojen valitsemista, ja käyttää suurennuslasia niiden kohdistamiseksi tiettyyn alueeseen.

Pulssin kompressio (tarvittaessa):

Jos tavoitteena on saada väreily etenemään nopeammin ja lyhyemmin, voit kiihdyttää niiden etenemistä erikoislaitteella, mikä lyhentää kunkin väreilyn kestoa. Attosekuntilasereiden syntyminen sisältää monimutkaisen prosessien vuorovaikutuksen. Kuitenkin, kun se pilkotaan osiin ja visualisoidaan, siitä tulee ymmärrettävämpi.