Σε μια σημαντική ανακοίνωση το βράδυ της 3ης Οκτωβρίου 2023, αποκαλύφθηκε το βραβείο Νόμπελ στη Φυσική για το έτος 2023, αναγνωρίζοντας τις εξαιρετικές συνεισφορές τριών επιστημόνων που έχουν διαδραματίσει κεντρικούς ρόλους ως πρωτοπόρους στον τομέα της τεχνολογίας λέιζερ Attosecond.

Ο όρος "Laser Attosecond" αποκομίζει το όνομά του από το απίστευτα σύντομο χρονικό διάστημα που λειτουργεί, συγκεκριμένα της τάξης των Attoseconds, που αντιστοιχεί σε 10^-18 δευτερόλεπτα. Για να κατανοήσουμε τη βαθιά σημασία αυτής της τεχνολογίας, μια θεμελιώδης κατανόηση του τι σημαίνει ένα attosecond είναι πρωταρχικής σημασίας. Ένα attosecond στέκεται ως μια εξαιρετικά λεπτή μονάδα του χρόνου, αποτελώντας ένα δισεκατομμύριο ενός δισεκατομμυρίου του δευτερολέπτου μέσα στο ευρύτερο πλαίσιο ενός δευτερολέπτου. Για να το θέσουμε σε προοπτική, αν έπρεπε να παρομοιάσουμε ένα δευτερόλεπτο σε ένα πανύψηλο βουνό, ένα attosecond θα ήταν παρόμοιο με ένα μόνο κόκκο άμμου που βρίσκεται στη βάση του βουνού. Σε αυτό το φευγαλέο χρονικό διάστημα, ακόμη και το φως μπορεί να διασχίσει μόλις μια απόσταση ισοδύναμη με το μέγεθος ενός ατομικού ατόμου. Μέσα από τη χρήση των λέιζερ attosecond, οι επιστήμονες αποκτούν την πρωτοφανή ικανότητα να ελέγχουν και να χειρίζονται τη περίπλοκη δυναμική των ηλεκτρονίων μέσα σε ατομικές δομές, παρόμοιες με μια επανάληψη αργής κίνησης πλαισίου σε κινηματογραφική σειρά, μεταφέροντας έτσι την αλληλεπίδρασή τους.

Lasers AttosecondΑντιπροσωπεύουν το αποκορύφωμα της εκτεταμένης έρευνας και των συντονισμένων προσπαθειών από επιστήμονες, οι οποίοι έχουν αξιοποιήσει τις αρχές της μη γραμμικής οπτικής για τη δημιουργία εξαιρετικά γρήγορων λέιζερ. Η εμφάνισή τους μας έδωσε ένα καινοτόμο πλεονέκτημα για την παρατήρηση και την εξερεύνηση των δυναμικών διεργασιών που μεταδίδονται μέσα σε άτομα, μόρια και ακόμη και ηλεκτρόνια σε στερεά υλικά.

Για να διασαφηνιστεί η φύση των λέιζερ attosecond και να εκτιμήσουμε τα ασυνήθιστα χαρακτηριστικά τους σε σύγκριση με τα συμβατικά λέιζερ, είναι επιτακτική η διερεύνηση της κατηγοριοποίησής τους μέσα στην ευρύτερη "οικογένεια λέιζερ". Η ταξινόμηση από το μήκος κύματος θέσεις Attosecond Lasers κυρίως εντός της περιοχής των υπεριώδους έως μαλακών συχνότητας ακτίνων Χ, υποδηλώνοντας τα σημαντικότερα μικρότερα μήκη κύματος σε αντίθεση με τα συμβατικά λέιζερ. Όσον αφορά τους τρόπους εξόδου, τα λέιζερ attosecond εμπίπτουν στην κατηγορία των παλμικών λέιζερ, που χαρακτηρίζονται από τις εξαιρετικά σύντομες παλμικές τους διάρκειες. Για να σχεδιάσουμε μια αναλογία για σαφήνεια, μπορεί κανείς να προβλέψει τα λέιζερ συνεχούς κύματος ως παρόμοιο με έναν φακό που εκπέμπει μια συνεχή δέσμη φωτός, ενώ τα παλμικά λέιζερ μοιάζουν με ένα φως στροβοσκοπίου, εναλλάσσοντας γρήγορα μεταξύ περιόδων φωτισμού και σκοταδιού. Στην ουσία, τα λέιζερ attosecond παρουσιάζουν μια παλλόμενη συμπεριφορά μέσα στον φωτισμό και το σκοτάδι, ωστόσο η μετάβασή τους μεταξύ των δύο κρατών διαπερνούν μια εκπληκτική συχνότητα, φθάνοντας στη σφαίρα των attoseconds.

Περαιτέρω κατηγοριοποίηση από τα λέιζερ ισχύος σε λέιζερ σε χαμηλή ισχύ, μεσαίου ισχύος και υψηλής ισχύος. Τα λέιζερ attosecond επιτυγχάνουν υψηλή μέγιστη ισχύ λόγω των εξαιρετικά σύντομων παλμών τους, με αποτέλεσμα μια έντονη μέγιστη ισχύ (P) - που ορίζεται ως η ένταση της ενέργειας ανά μονάδα χρόνου (p = w/t). Αν και οι ατομικοί παλμοί λέιζερ Attosecond μπορεί να μην διαθέτουν εξαιρετικά μεγάλη ενέργεια (W), η συντομευμένη χρονική έκταση (T) τους προσδίδει με αυξημένη μέγιστη ισχύ.

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

Η κατηγοριοποίηση με μεσαία λέιζερ οριοθετεί τα λέιζερ ως λέιζερ αερίου, λέιζερ στερεάς κατάστασης, υγρά λέιζερ και λέιζερ ημιαγωγών. Η δημιουργία λέιζερ attosecond συνήθως εξαρτάται από τα μέσα λέιζερ αερίου, αξιοποιώντας τα μη γραμμικά οπτικά αποτελέσματα για να δημιουργήσει αρμονικές υψηλής τάξης.

Συνολικά, τα λέιζερ Attosecond αποτελούν μια μοναδική κατηγορία λέιζερ μικρού παλμού, που διακρίνονται από τις εξαιρετικά σύντομες παλμικές διάρκειες τους, που συνήθως μετράται σε attoseconds. Ως αποτέλεσμα, έχουν γίνει απαραίτητα εργαλεία για την παρατήρηση και τον έλεγχο των εξαιρετικά γρήγορων δυναμικών διεργασιών ηλεκτρονίων μέσα σε άτομα, μόρια και συμπαγή υλικά.

Η περίπλοκη διαδικασία της δημιουργίας λέιζερ Attosecond

Η τεχνολογία Laser Attosecond βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της επιστημονικής καινοτομίας, διαθέτοντας ένα ενδιαφέρον αυστηρό σύνολο συνθηκών για τη γενιά της. Για να διασαφηνιστούν οι περιπλοκές της δημιουργίας λέιζερ Attosecond, ξεκινάμε με μια συνοπτική έκθεση των υποκείμενων αρχών της, ακολουθούμενη από ζωντανές μεταφορές που προέρχονται από καθημερινές εμπειρίες. Οι αναγνώστες που δεν έχουν αναστρέψει στις περιπλοκές της σχετικής φυσικής δεν χρειάζεται απελπισία, καθώς οι επακόλουθες μεταφορές στοχεύουν να καταστήσουν προσβάσιμα τη θεμελιώδη φυσική των λέιζερ.

Η διαδικασία παραγωγής των λέιζερ Attosecond βασίζεται κυρίως στην τεχνική γνωστή ως υψηλή αρμονική γενιά (HHG). Πρώτον, μια δέσμη με υψηλής έντασης femtosecond (10^-15 δευτερόλεπτα) παλμούς λέιζερ είναι στενά επικεντρωμένη σε ένα αέριο υλικό στόχο. Αξίζει να σημειωθεί ότι τα λέιζερ femtosecond, παρόμοιοι με τα λέιζερ attosecond, μοιράζονται τα χαρακτηριστικά της κατοχής βραχείας παλμικής διάρκειες και υψηλής ισχύος. Υπό την επίδραση του έντονου πεδίου λέιζερ, τα ηλεκτρόνια μέσα στα άτομα αερίου απελευθερώνονται στιγμιαία από τους ατομικούς πυρήνες τους, εισέρχονται παροδικά μια κατάσταση ελεύθερων ηλεκτρονίων. Καθώς αυτά τα ηλεκτρόνια ταλαντεύονται ως απάντηση 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 σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες και μετά τον ανασυνδυασμό με τους ατομικούς πυρήνες, απελευθερώνουν πρόσθετη ενέργεια με τη μορφή υψηλών αρμονικών εκπομπών, που εκδηλώνονται ως φωτόνια υψηλής ενέργειας.

Οι συχνότητες αυτών των νεοαποκτηθέντων φωτονίων υψηλής ενέργειας είναι ακέραιοι πολλαπλάσια της αρχικής συχνότητας λέιζερ, σχηματίζοντας αυτό που ονομάζεται αρμονικές υψηλής τάξης, όπου οι "αρμονικές" υποδηλώνουν συχνότητες που είναι αναπόσπαστα πολλαπλάσια της αρχικής συχνότητας. Για να επιτευχθούν λέιζερ Attosecond, καθίσταται απαραίτητο να φιλτράρετε και να εστιάσετε αυτές τις αρμονικές υψηλής τάξης, επιλέγοντας συγκεκριμένες αρμονικές και συγκεντρώνοντας τις σε ένα σημείο εστίασης. Εάν είναι επιθυμητό, ​​οι τεχνικές συμπίεσης παλμών μπορούν να συντομεύουν περαιτέρω τη διάρκεια παλμού, αποδίδοντας εξαιρετικά βραχίονες παλμούς στο εύρος attosecond. Προφανώς, η γενιά των λέιζερ Attosecond αποτελεί μια εξελιγμένη και πολύπλευρη διαδικασία, απαιτώντας υψηλό βαθμό τεχνικής αντοχής και εξειδικευμένου εξοπλισμού.

Για να απομυθοποιήσουμε αυτή τη περίπλοκη διαδικασία, προσφέρουμε ένα μεταφορικό παράλληλο γειωμένο σε καθημερινά σενάρια:

Υψηλής έντασης Femtosecond Laser Pulses:

Οραματίζεται να διαθέτει ένα εξαιρετικά ισχυρό καταπέλτη ικανό να εκτοξεύει στιγμιαία πέτρες σε κολοσσιαίες ταχύτητες, παρόμοια με το ρόλο που διαδραματίζουν οι παλμοί λέιζερ υψηλής έντασης.

Αέριο υλικό στόχου:

Φανταστείτε ένα ήρεμο σώμα νερού που συμβολίζει το αέριο υλικό στόχου, όπου κάθε σταγονίδιο νερού αντιπροσωπεύει μυριάδες άτομα αερίου. Η πράξη της προώθησης λίθων σε αυτό το σώμα του νερού αντικατοπτρίζει ανάλογα την επίδραση των παλμών λέιζερ υψηλής έντασης του φετιναδίου στο αέριο υλικό στόχου.

Ηλεκτρονική κίνηση και ανασυνδυασμός (φυσικά ονομάζεται μετάβαση):

Όταν οι παλμοί λέιζερ Femtosecond επηρεάζουν τα άτομα αερίου μέσα στο αέριο υλικό στόχου, ένας σημαντικός αριθμός εξωτερικών ηλεκτρονίων είναι στιγμιαία ενθουσιασμένος σε μια κατάσταση όπου αποσυνδέονται από τους αντίστοιχους ατομικούς πυρήνες τους, σχηματίζοντας μια κατάσταση που μοιάζει με πλάσμα. Καθώς η ενέργεια του συστήματος μειώνεται στη συνέχεια (δεδομένου ότι οι παλμοί λέιζερ είναι εγγενώς παλμικά, με διαστήματα διακοπής), αυτά τα εξωτερικά ηλεκτρόνια επιστρέφουν στην περιοχή τους από τους ατομικούς πυρήνες, απελευθερώνοντας φωτόνια υψηλής ενέργειας.

Υψηλή αρμονική γενιά:

Φανταστείτε κάθε φορά που ένα σταγονίδιο νερού πέφτει πίσω στην επιφάνεια της λίμνης, δημιουργεί κυματισμούς, σαν υψηλές αρμονικές σε λέιζερ attosecond. Αυτές οι κυματισμοί έχουν υψηλότερες συχνότητες και πλάτη από τις αρχικές κυματισμούς που προκαλούνται από τον κύριο παλμό λέιζερ femtosecond. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας HHG, μια ισχυρή δέσμη λέιζερ, παρόμοια με τις συνεχόμενες πέτρες, φωτίζει έναν στόχο αερίου, που μοιάζει με την επιφάνεια της λίμνης. Αυτό το έντονο πεδίο λέιζερ ωθεί τα ηλεκτρόνια στο αέριο, ανάλογα με τις κυματισμούς, μακριά από τα γονικά άτομα τους και στη συνέχεια τα τραβά πίσω. Κάθε φορά που ένα ηλεκτρόνιο επιστρέφει στο άτομο, εκπέμπει μια νέα δέσμη λέιζερ με υψηλότερη συχνότητα, παρόμοια με πιο περίπλοκα πρότυπα κυματισμού.

Φιλτράρισμα και εστίαση:

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

Συμπίεση παλμών (εάν είναι απαραίτητο):

Εάν επιδιώκετε να μεταδώσετε τις κυματισμούς γρηγορότερα και μικρότερα, μπορείτε να επιταχύνετε τη διάδοσή τους χρησιμοποιώντας μια εξειδικευμένη συσκευή, μειώνοντας το χρόνο που διαρκεί κάθε κυματοειδές. Η γενιά των λέιζερ attosecond περιλαμβάνει μια πολύπλοκη αλληλεπίδραση των διαδικασιών. Ωστόσο, όταν διασπώνται και απεικονίζονται, γίνεται πιο κατανοητό.