Σε μια σημαντική ανακοίνωση το βράδυ της 3ης Οκτωβρίου 2023, αποκαλύφθηκε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για το έτος 2023, αναγνωρίζοντας την εξαιρετική συμβολή τριών επιστημόνων που έχουν διαδραματίσει καθοριστικό ρόλο ως πρωτοπόροι στον τομέα της τεχνολογίας λέιζερ αττοδευτερολέπτων.

Ο όρος «λέιζερ αττοδευτερολέπτων» (attosecond laser) οφείλει το όνομά του στην απίστευτα σύντομη χρονική κλίμακα στην οποία λειτουργεί, συγκεκριμένα της τάξης των αττοδευτερολέπτων, που αντιστοιχεί σε 10-18 δευτερόλεπτα. Για να κατανοήσουμε τη βαθιά σημασία αυτής της τεχνολογίας, είναι πρωταρχικής σημασίας να κατανοήσουμε πλήρως τι σημαίνει ένα αττοδευτερόλεπτο. Ένα αττοδευτερόλεπτο αποτελεί μια εξαιρετικά μικρή μονάδα χρόνου, αποτελώντας το ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου στο ευρύτερο πλαίσιο ενός δευτερολέπτου. Για να το θέσουμε σε προοπτική, αν παρομοιάζαμε ένα δευτερόλεπτο με ένα πανύψηλο βουνό, ένα αττοδευτερόλεπτο θα ήταν σαν ένας μόνο κόκκος άμμου που βρίσκεται στη βάση του βουνού. Σε αυτό το φευγαλέο χρονικό διάστημα, ακόμη και το φως μπορεί να διανύσει μόλις μια απόσταση ισοδύναμη με το μέγεθος ενός μεμονωμένου ατόμου. Μέσω της χρήσης λέιζερ αττοδευτερολέπτων, οι επιστήμονες αποκτούν την άνευ προηγουμένου δυνατότητα να εξετάζουν και να χειρίζονται την περίπλοκη δυναμική των ηλεκτρονίων μέσα στις ατομικές δομές, παρόμοια με μια επανάληψη αργής κίνησης καρέ-καρέ σε μια κινηματογραφική ακολουθία, εμβαθύνοντας έτσι στην αλληλεπίδρασή τους.

Λέιζερ αττοδευτερολέπτωναντιπροσωπεύουν το αποκορύφωμα εκτεταμένης έρευνας και συντονισμένων προσπαθειών επιστημόνων, οι οποίοι αξιοποίησαν τις αρχές της μη γραμμικής οπτικής για να κατασκευάσουν υπερταχέα λέιζερ. Η ύπαρξή τους μας έχει προσφέρει ένα καινοτόμο σημείο αναφοράς για την παρατήρηση και την εξερεύνηση των δυναμικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα μέσα σε άτομα, μόρια, ακόμη και ηλεκτρόνια σε στερεά υλικά.

Για να διευκρινιστεί η φύση των λέιζερ αττοδευτερολέπτων και να εκτιμηθούν τα μη συμβατικά χαρακτηριστικά τους σε σύγκριση με τα συμβατικά λέιζερ, είναι επιτακτική ανάγκη να διερευνηθεί η κατηγοριοποίησή τους εντός της ευρύτερης «οικογένειας λέιζερ». Η ταξινόμηση κατά μήκος κύματος τοποθετεί τα λέιζερ αττοδευτερολέπτων κυρίως στην περιοχή των υπεριωδών έως των μαλακών συχνοτήτων ακτίνων Χ, υποδηλώνοντας τα αξιοσημείωτα μικρότερα μήκη κύματος τους σε αντίθεση με τα συμβατικά λέιζερ. Όσον αφορά τους τρόπους εξόδου, τα λέιζερ αττοδευτερολέπτων εμπίπτουν στην κατηγορία των παλμικών λέιζερ, που χαρακτηρίζονται από τις εξαιρετικά σύντομες διάρκειες παλμών τους. Για να γίνει μια αναλογία για λόγους σαφήνειας, μπορεί κανείς να φανταστεί τα λέιζερ συνεχούς κύματος ως παρόμοια με έναν φακό που εκπέμπει μια συνεχή δέσμη φωτός, ενώ τα παλμικά λέιζερ μοιάζουν με ένα στροβοσκοπικό φως, που εναλλάσσεται γρήγορα μεταξύ περιόδων φωτισμού και σκότους. Στην ουσία, τα λέιζερ αττοδευτερολέπτων εμφανίζουν μια παλμική συμπεριφορά εντός του φωτισμού και του σκότους, ωστόσο η μετάβασή τους μεταξύ των δύο καταστάσεων συμβαίνει με εκπληκτική συχνότητα, φτάνοντας στο βασίλειο των αττοδευτερολέπτων.

Περαιτέρω κατηγοριοποίηση ανά ισχύ κατατάσσει τα λέιζερ σε κατηγορίες χαμηλής, μέσης και υψηλής ισχύος. Τα λέιζερ αττοδευτερολέπτων επιτυγχάνουν υψηλή μέγιστη ισχύ λόγω της εξαιρετικά μικρής διάρκειας παλμών τους, με αποτέλεσμα μια έντονη μέγιστη ισχύ (P) - που ορίζεται ως η ένταση ενέργειας ανά μονάδα χρόνου (P=W/t). Αν και μεμονωμένοι παλμοί λέιζερ αττοδευτερολέπτων μπορεί να μην έχουν εξαιρετικά μεγάλη ενέργεια (W), η συντομευμένη χρονική τους έκταση (t) τους προσδίδει αυξημένη μέγιστη ισχύ.

Όσον αφορά τους τομείς εφαρμογής, τα λέιζερ καλύπτουν ένα φάσμα που περιλαμβάνει βιομηχανικές, ιατρικές και επιστημονικές εφαρμογές. Τα λέιζερ αττοδευτερολέπτων βρίσκουν την εξειδίκευσή τους κυρίως στον τομέα της επιστημονικής έρευνας, ιδιαίτερα στην εξερεύνηση ταχέως εξελισσόμενων φαινομένων στους τομείς της φυσικής και της χημείας, προσφέροντας ένα παράθυρο στις ταχείες δυναμικές διεργασίες του μικροκοσμικού κόσμου.

Η κατηγοριοποίηση ανά μέσο λέιζερ οριοθετεί τα λέιζερ ως λέιζερ αερίου, λέιζερ στερεάς κατάστασης, λέιζερ υγρού και λέιζερ ημιαγωγών. Η παραγωγή λέιζερ αττοδευτερολέπτων συνήθως εξαρτάται από μέσα λέιζερ αερίου, αξιοποιώντας μη γραμμικά οπτικά φαινόμενα για να δημιουργήσουν αρμονικές υψηλής τάξης.

Συνοψίζοντας, τα λέιζερ αττοδευτερολέπτων αποτελούν μια μοναδική κατηγορία λέιζερ βραχέων παλμών, που διακρίνονται για την εξαιρετικά σύντομη διάρκεια παλμών τους, η οποία συνήθως μετριέται σε αττοδευτερόλεπτα. Ως αποτέλεσμα, έχουν γίνει απαραίτητα εργαλεία για την παρατήρηση και τον έλεγχο των εξαιρετικά γρήγορων δυναμικών διεργασιών των ηλεκτρονίων μέσα σε άτομα, μόρια και στερεά υλικά.

Η περίπλοκη διαδικασία παραγωγής λέιζερ αττοδευτερολέπτων

Η τεχνολογία λέιζερ αττοδευτερόλεπτου βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της επιστημονικής καινοτομίας, διαθέτοντας ένα ενδιαφέρον σύνολο αυστηρών συνθηκών για την παραγωγή της. Για να διευκρινίσουμε τις περιπλοκές της παραγωγής λέιζερ αττοδευτερόλεπτου, ξεκινάμε με μια συνοπτική έκθεση των υποκείμενων αρχών της, ακολουθούμενη από ζωντανές μεταφορές που προέρχονται από καθημερινές εμπειρίες. Οι αναγνώστες που δεν είναι εξοικειωμένοι με τις περιπλοκές της σχετικής φυσικής δεν χρειάζεται να απελπίζονται, καθώς οι επόμενες μεταφορές στοχεύουν να καταστήσουν προσιτή τη θεμελιώδη φυσική των λέιζερ αττοδευτερόλεπτου.

Η διαδικασία παραγωγής λέιζερ αττοδευτερολέπτου βασίζεται κυρίως στην τεχνική που είναι γνωστή ως Υψηλή Αρμονική Δημιουργία (HHG). Πρώτον, μια δέσμη παλμών λέιζερ υψηλής έντασης φεμτοδευτερολέπτου (10^-15 δευτερόλεπτα) εστιάζεται σφιχτά σε ένα αέριο υλικό-στόχο. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα λέιζερ φεμτοδευτερολέπτου, παρόμοια με τα λέιζερ αττοδευτερολέπτου, μοιράζονται τα χαρακτηριστικά της βραχείας διάρκειας παλμών και υψηλής μέγιστης ισχύος. Υπό την επίδραση του έντονου πεδίου λέιζερ, τα ηλεκτρόνια μέσα στα άτομα αερίου απελευθερώνονται στιγμιαία από τους ατομικούς πυρήνες τους, εισερχόμενα παροδικά σε κατάσταση ελεύθερων ηλεκτρονίων. Καθώς αυτά τα ηλεκτρόνια ταλαντώνονται σε απόκριση στο πεδίο λέιζερ, τελικά επιστρέφουν και ανασυνδυάζονται με τους γονικούς ατομικούς πυρήνες τους, δημιουργώντας νέες καταστάσεις υψηλής ενέργειας.

Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, τα ηλεκτρόνια κινούνται με εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες και, κατά τον επανασυνδυασμό τους με τους ατομικούς πυρήνες, απελευθερώνουν επιπλέον ενέργεια με τη μορφή υψηλών αρμονικών εκπομπών, που εκδηλώνονται ως φωτόνια υψηλής ενέργειας.

Οι συχνότητες αυτών των νεοδημιουργημένων φωτονίων υψηλής ενέργειας είναι ακέραια πολλαπλάσια της αρχικής συχνότητας λέιζερ, σχηματίζοντας αυτό που ονομάζεται αρμονικές υψηλής τάξης, όπου «αρμονικές» υποδηλώνει συχνότητες που είναι ακέραια πολλαπλάσια της αρχικής συχνότητας. Για την επίτευξη λέιζερ αττοδευτερολέπτων, καθίσταται απαραίτητο να φιλτράρονται και να εστιάζονται αυτές οι αρμονικές υψηλής τάξης, επιλέγοντας συγκεκριμένες αρμονικές και συγκεντρώνοντάς τες σε ένα εστιακό σημείο. Εάν είναι επιθυμητό, ​​οι τεχνικές συμπίεσης παλμών μπορούν να συντομεύσουν περαιτέρω τη διάρκεια του παλμού, αποδίδοντας εξαιρετικά σύντομους παλμούς στην περιοχή των αττοδευτερολέπτων. Προφανώς, η παραγωγή λέιζερ αττοδευτερολέπτων αποτελεί μια εξελιγμένη και πολύπλευρη διαδικασία, που απαιτεί υψηλό βαθμό τεχνικής ικανότητας και εξειδικευμένο εξοπλισμό.

Για να απομυθοποιήσουμε αυτή την περίπλοκη διαδικασία, προσφέρουμε έναν μεταφορικό παραλληλισμό που βασίζεται σε καθημερινά σενάρια:

Παλμοί λέιζερ υψηλής έντασης φεμτοδευτερολέπτων:

Οραματιστείτε να κατέχετε έναν εξαιρετικά ισχυρό καταπέλτη ικανό να εκτοξεύει ακαριαία πέτρες με κολοσσιαίες ταχύτητες, παρόμοιο με τον ρόλο που παίζουν οι παλμοί λέιζερ υψηλής έντασης φεμτοδευτερολέπτων.

Αέριο Υλικό Στόχου:

Φανταστείτε ένα ήρεμο υδάτινο σώμα που συμβολίζει το αέριο υλικό-στόχο, όπου κάθε σταγόνα νερού αντιπροσωπεύει μυριάδες άτομα αερίου. Η πράξη της προώθησης λίθων σε αυτό το υδάτινο σώμα αντικατοπτρίζει αναλογικά την επίδραση των παλμών λέιζερ υψηλής έντασης femtosecond στο αέριο υλικό-στόχο.

Κίνηση και Ανασυνδυασμός Ηλεκτρονίων (Φυσικά Ονομάζεται Μετάβαση):

Όταν φεμτοδευτερολέπτοι παλμοί λέιζερ προσκρούουν στα άτομα αερίου μέσα στο αέριο υλικό-στόχο, ένας σημαντικός αριθμός εξωτερικών ηλεκτρονίων διεγείρεται στιγμιαία σε μια κατάσταση όπου αποκολλώνται από τους αντίστοιχους ατομικούς πυρήνες τους, σχηματίζοντας μια κατάσταση που μοιάζει με πλάσμα. Καθώς η ενέργεια του συστήματος στη συνέχεια μειώνεται (καθώς οι παλμοί λέιζερ είναι εγγενώς παλμικοί, με διαστήματα διακοπής), αυτά τα εξωτερικά ηλεκτρόνια επιστρέφουν στην περιοχή τους γύρω από τους ατομικούς πυρήνες, απελευθερώνοντας φωτόνια υψηλής ενέργειας.

Υψηλή Αρμονική Παραγωγή:

Φανταστείτε κάθε φορά που μια σταγόνα νερού πέφτει πίσω στην επιφάνεια της λίμνης, δημιουργεί κυματισμούς, όπως οι υψηλές αρμονικές στα λέιζερ αττοδευτερολέπτων. Αυτοί οι κυματισμοί έχουν υψηλότερες συχνότητες και πλάτη από τους αρχικούς κυματισμούς που προκαλούνται από τον πρωτεύοντα παλμό λέιζερ φεμτοδευτερολέπτων. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας HHG, μια ισχυρή δέσμη λέιζερ, παρόμοια με τη συνεχή ρίψη πετρών, φωτίζει έναν στόχο αερίου, που μοιάζει με την επιφάνεια της λίμνης. Αυτό το έντονο πεδίο λέιζερ ωθεί ηλεκτρόνια στο αέριο, ανάλογα με τους κυματισμούς, μακριά από τα γονικά τους άτομα και στη συνέχεια τα τραβάει πίσω. Κάθε φορά που ένα ηλεκτρόνιο επιστρέφει στο άτομο, εκπέμπει μια νέα δέσμη λέιζερ με υψηλότερη συχνότητα, παρόμοια με πιο περίπλοκα μοτίβα κυματισμών.

Φιλτράρισμα και εστίαση:

Ο συνδυασμός όλων αυτών των νεοδημιουργημένων δεσμών λέιζερ αποδίδει ένα φάσμα διαφόρων χρωμάτων (συχνοτήτων ή μηκών κύματος), μερικά από τα οποία αποτελούν το λέιζερ αττοδευτερολέπτων. Για να απομονώσετε συγκεκριμένα μεγέθη και συχνότητες κυματισμών, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε ένα εξειδικευμένο φίλτρο, παρόμοιο με την επιλογή των επιθυμητών κυματισμών, και να χρησιμοποιήσετε έναν μεγεθυντικό φακό για να τους εστιάσετε σε μια συγκεκριμένη περιοχή.

Παλμική συμπίεση (εάν είναι απαραίτητο):

Αν στοχεύετε στη διάδοση των κυματισμών ταχύτερα και μικρότερα, μπορείτε να επιταχύνετε τη διάδοσή τους χρησιμοποιώντας μια εξειδικευμένη συσκευή, μειώνοντας τον χρόνο που διαρκεί κάθε κυματισμός. Η παραγωγή λέιζερ αττοδευτερολέπτων περιλαμβάνει μια πολύπλοκη αλληλεπίδραση διεργασιών. Ωστόσο, όταν αναλύεται και οπτικοποιείται, γίνεται πιο κατανοητή.