Popularnonaukowe

Nobel za smyranie elektronów laserem – krótko i (mam nadzieję) przejrzyście

Krótka chwila to bardzo względne pojęcie. Dla wielu z nas będzie to minuta, dla sprinterów setna sekundy, a dla tegorocznych laureatów Nagrody Nobla – jedna miliardowa jednej miliardowej części sekundy.

byAdam Adamczyk

04/10/2023

4 minute read

9 komentarzy

Naszym głównym celem jest uzyskiwanie coraz głębszego wglądu w zjawiska mikroskopowe.
Ferenc Krausz

Komisja w Sztokholmie naprawdę lubi lasery. Specjalistów w tej dziedzinie doceniano dotąd co najmniej czterokrotnie – po raz pierwszy w roku 1964, a po raz ostatni niedawno, bo zaledwie pięć lat temu. Wtedy to połowa Nobla^[1]Druga połowa otrzymał Arthur Ashkin, za optyczną pęsetę. trafiła w ręce Gerarda Mourou i Donny Strickland, za “opracowanie metody generowania bardzo intensywnych i ultrakrótkich impulsów optycznych”. Przypominam o tym, ponieważ wczorajsza nagroda została przyznana za coś w gruncie rzeczy podobnego. Pierre’a Agostini, Ferenc Krausz oraz Anne L’Huillier podzielili się wyróżnieniem za wkład w rozwój “metod generowania attosekundowych impulsów światła i wykorzystanie ich do badania dynamiki elektronów wewnątrz materii”.

Spróbujmy rozszyfrować to uzasadnienie i zrozumieć, skąd ta obsesja fizyków na punkcie błyskania laserem.

Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki 2023 — Nobel 2023 w dziedzinie fizyki dla naukowców, którzy znaleźli nowy sposób na badanie ruchu elektronów.

Jedną z pierwszych rzeczy, jakich uczy się każdy amator fotografii, jest dobór odpowiedniego dla sytuacji czasu naświetlania. Jeżeli pragniemy uwiecznić statyczny, dobrze oświetlony obiekt, zwykle zadowolimy się średnim czasem otwarcia migawki, w okolicach, powiedzmy 1/60 sekundy. To całkiem wygodne, ale nabywając wprawy, ambitny fotograf w pewnym momencie zechce uchwycić bardziej dynamiczną scenę, powiedzmy psa goniącego za piłką. Jeżeli nie zmieni on ustawień swojej lustrzanki i nie skróci czasu naświetlania do setnych lub nawet tysięcznych części sekundy, otrzyma co najwyżej zdjęcie psopodobnej smugi.

Badacze mikroświata zmagają się z podobnym kłopotem. Tyle tylko, że interesujące ich struktury są jakiś bilion razy mniejsze i jednocześnie śmigają z prędkościami sięgającymi nie paruset kilometrów na godzinę, lecz tysięcy kilometrów na sekundę (tj. kilku procent prędkości światła w próżni). Takimi strukturami mogą być choćby chmury elektronowe otaczające jądra atomów i odpowiadające za powstawanie wiązań chemicznych. (Na marginesie. W sieci z łatwością znajdziecie informację o tym, że np. w atomie wodoru pojedynczy elektron obiega proton z prędkością około 2200 km/s, czyli 0,7% prędkości światła. Pamiętajcie jednak, że tego rodzaju ciekawostki ignorują fakt, że cząstki nie wyglądają jak kuleczki toczące się wokół innych kuleczek. Tak jak wszystkie inne obiekty kwantowe, elektron wykazuje naturę falową, opisuje go równanie Schrödingera, a przypisywanie mu “prędkości” jest jedynie próbą przełożenia jego dynamiki na coś, co nasze nie-kwantowe rozumy są w stanie ogarnąć).

Pojawia się pytanie, jak badać coś tak drobnego, żwawego i delikatnego? Co prawda, wykonanie fotografii przedstawiającej pojedynczą cząstkę nie wchodzi w rachubę – przynajmniej w sensie dosłownym – jednak światło wciąż może pomóc nam w uzyskaniu ogromu informacji na temat jej stanu. Warunkiem jest jednak niewiarygodna precyzja. Skoro chcemy badać zmiany dokonujące się w trudnym do wyobrażenia skrawku sekundy, to potrzebujemy adekwatnie krótkiego, wręcz ultrakrótkiego “czasu naświetlania”. Odpowiednik migawki aparatu stanowi w tym przypadku długość impulsu lasera.

Rozkład chmury elektronowej w atomie — Przykład wykorzystania fizyki attosekundowej, wyjęty z jednej z publikacji Ferenca Krausza. Może nie wygląda zbyt efektownie, ale kolorowe wykresy przedstawiają rozkład elektronów walencyjnych w momencie jonizacji atomu.

Co znaczy w tym kontekście “ultrakrótki”? Żeby uświadomić sobie do jakiej skali zmierzamy, spójrzmy najpierw na poniższy zestaw zdjęć:

Zostały one wykonane podczas testu jądrowego i przedstawią sam początek eksplozji. Uchwycenie tych momentów wymagało użycia kamery zdolnej do naświetlenia klatki w 10 nanosekund. To czas, w jakim światło zdąży pokonać jedynie 3 metry. Robi wrażenie, prawda?

W świecie subatomowym rzeczy dokonują się jeszcze… miliard razy szybciej. Tu nie wystarczą już nanosekundy, ani nawet pikosekundy. Żeby zarejestrować ewolucję najmniejszych układów, musimy zejść do poziomu femtosekund, a nawet attosekund – 0,000000000000000001 s – trylionowych części sekundy. Właśnie tego dokonali Agostini, Krausz oraz L’Huillier, dając początek całej gałęzi badań, nazywanych już czasem attofizyką.

Jak pewnie się domyślacie, generowanie attosekundowych impulsów nie polega na błyskawicznym włączaniu i wyłączaniu lasera. Żeby poćwiartować wiązkę na tak niewiarygodnie drobne odcinki, potrzebne było wykonanie wielu drobnych kroczków, stawianych przez eksperymentatorów konsekwentnie od końca lat 80. ubiegłego wieku. Prawdopodobnie najważniejszym spośród nich było opanowanie techniki HHG (ang. high harmonic generation). Polega ona na przepuszczeniu czerwonej wiązki lasera (o niskiej częstotliwości) przez ośrodek złożony zwykle z gazu szlachetnego^[2]Pojawiły się już nowe rozwiązania, np. wykorzystanie szkła. i doprowadzenie jego atomów do chwilowej jonizacji.

Elektron takiego pierwiastka zostaje wypchnięty poza atom, ale na tyle delikatnie, aby niemal natychmiast wrócił na swoje miejsce, oddając zaraz nadmiar energii przejętej z wiązki lasera. Uwolniony błysk jest znacznie krótszy, ale ma większą energię oraz częstotliwość (XUV, ekstremalny ultrafiolet) od sygnału wejściowego. To właśnie nasz impuls.

Jednak na tym nie koniec. Żeby uzyskać jeszcze lepszy rezultat, fizycy pracują na wiązkach zawierających fale o wielu różnych częstotliwościach. Jak to zwykle z falami bywa, mogą one interferować, podlegając wzajemnemu wygaszaniu lub wzmacnianiu. Osobno nie naruszają one obserwowanego obiektu, jednak co jakiś czas szczyty zbiegają się tworząc ultrakrótki impuls zdolny do wykradnięcia informacji z prześwietlonego elektronu.

Te i inne sztuczki techniczne, pozwoliły naukowcom na upragnione zejście poniżej femtosekundy. Przełom nastąpił w roku 2003 na Uniwersytecie w Lund, gdzie zespół Anne L’Huillier wygenerował rekordowy błysk o długości 170 attosekund. O tym, z jakim entuzjazmem przyjęto tamto osiągnięcie najlepiej świadczy numer New Scientist z listopada 2004 roku, którego okładka “Witała w attoświecie”. Obecnie operujemy już w skali 40-80 attosekund, w czym przoduje drugi z tegorocznych noblistów – Ferenc Krausz – wraz ze swoją grupą z Instytutu Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka.

Po co nam to wszystko? Nie chodzi wyłącznie o tworzenie barwnych map ilustrujących rozkład chmur elektronowych wewnątrz atomów (choć niewątpliwie cieszą one każdego fizyka). Podglądanie elektronów to klucz do zrozumienia właściwości materii (w tym tak pospolitych substancji jak woda), działania systemów elektronicznych i wreszcie procesów biochemicznych, od fotosyntezy aż po replikację DNA. Rzecz niebagatelna, bo zrozumienie zjawiska, to zwykle pierwszy i nieodzowny krok do jego ujarzmienia.

Jako dodatek wywiad z Anne L’Huillier przeprowadzony przez Beatę Kenig z zaprzyjaźnionej Fundacji Wega, dwa miesiące przed Noblem (tak, polskie napisy są takie sobie, ale są).