За что присудили Нобелевскую премию по физике в 2023 году
Пьер Агостини, профессор Университета Огайо в США, Анн Л’Юйе, профессор атомной физики Лундского университета в Швеции, и Ференц Краус из Института квантовой оптики Общества Макса Планка при Университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене больше четверти века разрабатывали методы и оборудование для того, чтобы отслеживать процессы в атомах и молекулах, которые длятся в квинтиллион (это миллион триллионов) раз меньше секунды. Если объяснять проще, лауреаты придумали технологию и создали установку, чтобы испускать невероятно быстрые лазерные импульсы (вспышки). Это помогает делать «снимки» перемещений электронов и регистрировать другие взаимодействия частиц.
«Эксперименты лауреатов позволили производить вспышки света настолько короткие, что они измеряются в аттосекундах, и тем самым продемонстрировать, что с помощью таких вспышек можно получать изображения процессов внутри атомов и молекул», — говорится в пресс-релизе Нобелевского комитета.
Аттосекунда — это квинтиллионная доля секунды, или 0,000000000000000001 секунды. Приставка «атто-» означает умножение на десять в минус 18-й степени, или 18 знаков после запятой. Долгое время рекордно коротким считался лазерный импульс, который длился 6 фемтосекунд — это 6 квадриллионных секунды, или 6, умноженная на десятку в минус 15-й степени. Это уже был впечатляющий результат: в десятки, а то и сотни раз быстрее, чем требуется на разрыв химической связи. За это достижение Ахмед Зевайл получил Нобелевскую премию по химии в 1999 году.
Но фемтосекунда длиннее аттосекунды в 1000 раз. Работы новых лауреатов позволили отследить еще более быстрые процессы внутри атомов и молекул, например перемещения электронов, которые происходят всего за десятки аттосекунд. Сделать вспышку такой короткой не получалось, так как импульс, в том числе и лазерный, не может быть короче длины волны. А один цикл колебания оптического импульса как раз и составляет около одной фемтосекунды.
В 1987 году этот барьер удалось преодолеть француженке Анн Л’Юйе, которая при помощи лазерной установки пропускала инфракрасный свет через благородный газ — аргон. Электроны в газе возбуждались от инфракрасного света (большая длина волны), генерировали ультрафиолетовый импульс (короткие волны). В 90-е годы Л’Юйе с коллегами изучила причины этого эффекта.
Но только в начале 2000-х годов франко-американскому ученом Пьеру Агостини и его научной группе удалось построить установку, которая может генерировать сразу несколько таких последовательных сверхкоротких импульсов. Они взаимодействовали с первоначальной вспышкой, что позволяло ученым управлять процессом. Агостини с коллегами создал метод RABBITT для характеристики аттосекундных световых импульсов и получил лазерный импульс длиной 2,5 фемтосекунды. В 2003-м его мировой рекорд побила Анн Л’Юйе, которая получила лазерный импульс длиной в 1,7 фемтосекунды (170 аттосекунд). Параллельно темой занялась группа Ференца Крауса, который тогда работал в Венском техническом университете. Команда исследователей первой преодолела фемтосекундный барьер и научилась получать одиночные сверхкороткие вспышки. Благодаря этому ученые смогли провести измерения, как быстро электрон отделяется от атома.
Сегодня развитие этой области исследований набирает обороты: чем быстрее вспышки, тем больше можно узнать о поведении частиц при взаимодействии с ними, что позволяет получать более короткие новые импульсы. При помощи этих технологий можно не только изучать мимолетные движения частиц, но и узнать больше про квантовую запутанность и сильные магнитные поля, намного точнее измерять кратчайшие промежутки времени, запускать термоядерные реакции, а в далеком будущем — создавать сверхскоростные электронные устройства, передающие терабайты информации в секунду.
Автор: Екатерина Мищенко