Σε μια βαρυσήμαντη ανακοίνωση το βράδυ της 3ης Οκτωβρίου 2023, αποκαλύφθηκε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής για το έτος 2023, αναγνωρίζοντας την εξαιρετική συμβολή τριών επιστημόνων που διαδραμάτισαν κομβικούς ρόλους ως πρωτοπόροι στη σφαίρα της τεχνολογίας λέιζερ attosecond.

Ο όρος «λέιζερ attosecond» προέρχεται από το όνομά του από την απίστευτα σύντομη χρονική κλίμακα στην οποία λειτουργεί, συγκεκριμένα με τη σειρά των attosecond, που αντιστοιχεί σε 10^-18 δευτερόλεπτα. Για να κατανοήσουμε τη βαθιά σημασία αυτής της τεχνολογίας, η θεμελιώδης κατανόηση του τι σημαίνει ένα attosecond είναι πρωταρχικής σημασίας. Ένα αττοδευτερόλεπτο είναι μια εξαιρετικά λεπτή μονάδα χρόνου, που αποτελεί το ένα δισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου μέσα στο ευρύτερο πλαίσιο ενός δευτερολέπτου. Για να το θέσουμε αυτό σε προοπτική, αν παρομοιάζαμε ένα δευτερόλεπτο με ένα πανύψηλο βουνό, ένα αττοδευτερόλεπτο θα έμοιαζε με έναν μόνο κόκκο άμμου φωλιασμένο στη βάση του βουνού. Σε αυτό το φευγαλέο χρονικό διάστημα, ακόμη και το φως μπορεί μετά βίας να διασχίσει μια απόσταση ισοδύναμη με το μέγεθος ενός μεμονωμένου ατόμου. Μέσω της χρήσης λέιζερ attosecond, οι επιστήμονες αποκτούν την άνευ προηγουμένου ικανότητα 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 Attosecondαντιπροσωπεύουν το αποκορύφωμα εκτεταμένης έρευνας και συντονισμένων προσπαθειών επιστημόνων, οι οποίοι έχουν αξιοποιήσει τις αρχές της μη γραμμικής οπτικής για τη δημιουργία υπερταχέων λέιζερ. Η εμφάνισή τους μας έδωσε ένα καινοτόμο πλεονέκτημα για την παρατήρηση και την εξερεύνηση των δυναμικών διεργασιών που διαπερνούν τα άτομα, τα μόρια, ακόμη και τα ηλεκτρόνια σε στερεά υλικά.

Για να αποσαφηνιστεί η φύση των λέιζερ attosecond και να εκτιμηθούν τα αντισυμβατικά χαρακτηριστικά τους σε σύγκριση με τα συμβατικά λέιζερ, είναι επιτακτική ανάγκη να διερευνηθεί η κατηγοριοποίησή τους στην ευρύτερη «οικογένεια λέιζερ». Η ταξινόμηση κατά μήκος κύματος τοποθετεί τα λέιζερ σε ατό δευτερόλεπτο κυρίως εντός του εύρους των συχνοτήτων υπεριώδους έως μαλακών ακτίνων Χ, υποδηλώνοντας τα σημαντικά μικρότερα μήκη κύματος τους 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 διάρκειες παλμών τους. Για να γίνει μια αναλογία για σαφήνεια, μπορούμε να φανταστούμε λέιζερ συνεχούς κύματος σαν φακό που εκπέμπει μια συνεχή δέσμη φωτός, ενώ τα παλμικά λέιζερ μοιάζουν με φως στροβοσκοπίου, που εναλλάσσονται γρήγορα μεταξύ περιόδων φωτισμού και σκότους. Ουσιαστικά, τα λέιζερ attosecond παρουσιάζουν μια παλλόμενη συμπεριφορά εντός του φωτισμού και του σκότους, ωστόσο η μετάβασή τους μεταξύ των δύο καταστάσεων εμφανίζεται με εκπληκτική συχνότητα, φτάνοντας στο βασίλειο των ατο δευτερολέπτων.

Η περαιτέρω κατηγοριοποίηση ανά ισχύ τοποθετεί τα λέιζερ σε βραχίονες χαμηλής, μέσης και υψηλής ισχύος. Τα λέιζερ Attosecond επιτυγχάνουν υψηλή ισχύ αιχμής λόγω της εξαιρετικά μικρής διάρκειας παλμού τους, με αποτέλεσμα μια έντονη ισχύ αιχμής (P) - που ορίζεται ως η ένταση της ενέργειας ανά μονάδα χρόνου (P=W/t). Αν και μεμονωμένοι παλμοί λέιζερ attosecond μπορεί να μην διαθέτουν εξαιρετικά μεγάλη ενέργεια (W), η συντομευμένη χρονική τους έκταση (t) τους προσδίδει αυξημένη μέγιστη ισχύ.

Όσον αφορά τους τομείς εφαρμογής, τα λέιζερ εκτείνονται σε ένα φάσμα που περιλαμβάνει βιομηχανικές, ιατρικές και επιστημονικές εφαρμογές. Τα λέιζερ Attosecond βρίσκουν κυρίως τη θέση τους στη σφαίρα της επιστημονικής έρευνας, ιδιαίτερα στην εξερεύνηση ταχέως εξελισσόμενων φαινομένων στους τομείς της φυσικής και της χημείας, προσφέροντας ένα παράθυρο στις γρήγορες δυναμικές διαδικασίες του μικροκοσμικού κόσμου.

Η κατηγοριοποίηση ανά μέσο λέιζερ οριοθετεί τα λέιζερ ως λέιζερ αερίου, λέιζερ στερεάς κατάστασης, λέιζερ υγρών και λέιζερ ημιαγωγών. Η δημιουργία λέιζερ attosecond εξαρτάται συνήθως από μέσα λέιζερ αερίου, αξιοποιώντας τα μη γραμμικά οπτικά εφέ για τη δημιουργία αρμονικών υψηλής τάξης.

Συνοψίζοντας, τα λέιζερ attosecond αποτελούν μια μοναδική κατηγορία λέιζερ βραχέων παλμών, που διακρίνονται από τις εξαιρετικά σύντομες διάρκειες παλμών τους, που συνήθως μετρώνται σε attosecond. Ως αποτέλεσμα, έχουν γίνει απαραίτητα εργαλεία για την παρατήρηση και τον έλεγχο των εξαιρετικά γρήγορων δυναμικών διεργασιών των ηλεκτρονίων μέσα στα άτομα, τα μόρια και τα στερεά υλικά.

Η περίπλοκη διαδικασία της γενιάς λέιζερ Attosecond

Η τεχνολογία λέιζερ Attosecond βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της επιστημονικής καινοτομίας, διαθέτοντας ένα εξαιρετικά αυστηρό σύνολο προϋποθέσεων για τη δημιουργία της. Για να αποσαφηνίσουμε τις περιπλοκές της παραγωγής λέιζερ attosecond, ξεκινάμε με μια συνοπτική έκθεση των βασικών αρχών του, ακολουθούμενη από ζωντανές μεταφορές που προέρχονται από καθημερινές εμπειρίες. Οι αναγνώστες που δεν γνωρίζουν τις περιπλοκές της σχετικής φυσικής δεν χρειάζεται να απελπίζονται, καθώς οι μεταφορές που ακολουθούν στοχεύουν να καταστήσουν προσβάσιμη τη θεμελιώδη φυσική των λέιζερ attosecond.

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

Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, τα ηλεκτρόνια κινούνται με εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες και κατά 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 φωτονίων υψηλής ενέργειας που δημιουργήθηκαν πρόσφατα είναι ακέραια πολλαπλάσια της αρχικής συχνότητας λέιζερ, σχηματίζοντας αυτό που ονομάζεται αρμονικές υψηλής τάξης, όπου "αρμονικές" υποδηλώνουν συχνότητες που είναι αναπόσπαστα πολλαπλάσια της αρχικής συχνότητας. Για την επίτευξη λέιζερ attosecond, καθίσταται απαραίτητο να φιλτράρουμε και να εστιάσουμε αυτές τις αρμονικές υψηλής τάξης, επιλέγοντας συγκεκριμένες αρμονικές και συγκεντρώνοντάς τις 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 attosecond. Προφανώς, η παραγωγή λέιζερ attosecond αποτελεί μια εξελιγμένη και πολύπλευρη διαδικασία, που απαιτεί υψηλό βαθμό τεχνικής ικανότητας και εξειδικευμένο εξοπλισμό.

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

Παλμοί λέιζερ υψηλής έντασης Femtosecond:

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

Αέριο υλικό στόχου:

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

Κίνηση και ανασυνδυασμός ηλεκτρονίων (φυσικά ονομαζόμενη μετάβαση):

Όταν οι παλμοί λέιζερ femtosecond προσκρούουν στα άτομα αερίου μέσα στο αέριο υλικό στόχο, ένας σημαντικός αριθμός εξωτερικών ηλεκτρονίων διεγείρεται στιγμιαία σε μια κατάσταση όπου αποσπώνται 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 παύσης), αυτά τα εξωτερικά ηλεκτρόνια επιστρέφουν στη γειτονιά τους με τους ατομικούς πυρήνες, απελευθερώνοντας φωτόνια υψηλής ενέργειας.

Υψηλή Αρμονική Γενιά:

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

Φιλτράρισμα και εστίαση:

Ο συνδυασμός όλων αυτών των νεοπαραγόμενων ακτίνων 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 έναν μεγεθυντικό φακό για να τους εστιάσετε σε μια συγκεκριμένη περιοχή.

Συμπίεση παλμού (εάν είναι απαραίτητο):

Εάν σκοπεύετε να διαδώσετε τους κυματισμούς πιο γρήγορα και πιο σύντομα, μπορείτε να επιταχύνετε τη διάδοσή τους χρησιμοποιώντας μια εξειδικευμένη συσκευή, μειώνοντας το χρόνο που διαρκεί κάθε κυματισμός. Η δημιουργία λέιζερ attosecond περιλαμβάνει μια πολύπλοκη αλληλεπίδραση διεργασιών. Ωστόσο, όταν αναλύεται και οπτικοποιείται, γίνεται πιο κατανοητό.