Нобелівка‒2023: фізика. Одна мільярдна однієї мільярдної секунди

«Дослідження з використанням аттосекундних імпульсів світла відкрили двері до дуже-дуже маленьких масштабів у часі та до світу електронів. У 1925 році Вернер Гайзенберґ стверджував, що цей світ неможливо буде побачити, але тепер завдяки аттосекундній фізиці це змінюється, і у нас з’являється можливість досліджувати його», — саме з таких слів професорка Єва Олсон почала оголошувати лауреатів цьогорічної Нобелівської премії з фізики.

Електрони — це не тільки електричний струм та електроенергія, а й уся електроніка та гаджети, якими ми користуємося щодня, а також хімічні реакції, що лежать в основі функціонування живих організмів, зокрема людини. Ба більше, всі властивості матеріалів залежать від того, як у них поводять себе електрони (тобто від їхньої електронної структури). Залежно від цього матеріал може бути оптично прозорим або виблискувати, як метал; бути м’яким, чи твердим; бути ізолятором чи надпровідником. Тож не буде перебільшенням сказати, що електрони грають ключову роль у тому, як влаштований світ навколо нас. Саме тому настільки важливим є дослідження електронів у складі різноманітних складних систем. І тепер це можливо не лише з високою просторовою чи енергетичною роздільною здатністю (наприклад, за допомогою сканувальної тунельної мікроскопії чи фотоелектронної спектроскопії), але й у динаміці з надвисокою роздільною здатністю по часу. 

Що ж таке аттосекундна фізика? Це можна краще зрозуміти за аналогією з фотографією. Коли час витримки на вашому фотоапараті занадто великий, фотографії в русі виходять розмитими, або ви й зовсім пропускаєте об’єкт, який хотіли сфотографувати. У звичайній камері, за своєю суттю, використовується механічний затвор, який швидко відкривається та закривається, щоб зробити знімок. Проте цей процес обмежується в сучасних камерах мікросекундами (10^-6 секунд) і не може бути суттєво пришвидшеним. Для «фотозйомки» більш швидких процесів потрібна нова ідея, інший принцип роботи (як це було колись з переходом від оптичного до електронного мікроскопа). Такою новою ідеєю в цьому випадку є використання спалахів світла, які освітлюють досліджуваний об’єкт на дуже короткий час. Це можливо лише з використанням лазерів, і аттосекундні імпульси є вершиною розвитку цього напрямку.

Одна аттосекунда — це одна мільярдна однієї мільярдної секунди, тобто 10^-18 секунд. У порівнянні з однією секундою це приблизно те ж саме, що одна секунда в порівнянні з усім часом існування всесвіту. Це неймовірний масштаб! Досягнути такого рівня точності в часі надзвичайно складно. В аттосекундних масштабах часу відбувається рух електронів, тому цілком природним є бажання отримати інструменти, що дозволяли б спостерігати за подібними процесами, особливо зважаючи на важливість електронів описану вище.

Анн Л’Юйє ще в 1987 році в Університеті Париж-Сакле разом зі своїми колегами заклала основи майбутніх експериментів у цій галузі, досліджуючи взаємодію потужного випромінювання інфрачервоного лазера з атомами у газі. Так вона стала п’ятою жінкою у світі, що отримала Нобелівську премію з фізики. На основі напрацювань Анн в 2001 році П’єр Аґостіні в Париж-Сакле та Ференц Краус у Відні майже одночасно незалежно один від одного вперше змогли згенерувати та виміряти імпульси світла аттосекундних масштабів. П’єр Аґостіні використовуючи методику власної розробки RABBIT, отримав імпульси тривалістю 250 аттосекунд, а Ференц Краус за використання своєї дещо відмінної методики отримав значення 650 аттосекунд. У 2003 році Анн Л’Юйє побила світовий рекорд з найкоротшим лазерним імпульсом у 170 аттосекунд.

Як вдалося це зробити? В основі обох методів, які, до речі, залишаються основними методами отримання аттосекундних імпульсів і до сьогодні, лежить генерація гармонік високого порядку: ми маємо набір хвиль з різними довжинами й можемо завдяки їхній взаємодії (інтерференції), отримати короткі інтенсивні піки там, де інтенсивності хвиль складаються, й відсутність піків, де вони віднімаються. Якраз так і отримують лазерні фемтосекундні (10^-15) імпульси. Але як піти ще далі? Адже пучки світла, отримані в такий спосіб, не можуть раптом зменшити свою довжину хвилі менше за довжину світла, з якою випромінював лазер (наприклад, світло з довжиною хвилі 400 нм, що відповідає фіолетовому кольору, має час одного імпульсу в 1,3 фемтосекунди; цей час зменшується зі зменшенням довжини хвилі). Наступний крок в методі, розробленому Ференцом Клаусом, полягає у тому, щоб зробити цей єдиний короткий фемтосекундний імпульс настільки інтенсивним, щоб він міг вирвати один електрон із атома. Час, за який електрон збуджується достатньо, щоб випромінити світло, становить лише частину проходження одного фемтосекундного піку, і у такий спосіб дає нам ще коротший, аттосекундний імпульс. RABBIT використовує дещо іншу, але схожу ідею.

Тож аттосекундна фізика існує уже трохи більше ніж 20 років. Як уже згадувалося раніше, використання експериментальних методів з такою роздільною здатністю в часі дозволяє безпосередньо спостерігати за рухом електронів в реальному часі. Звісно, це ніяк не ламає фізику, адже такі спостереження не порушують принципу невизначеності Гайзенберґа. Аттосекундна фізика не дозволяє бачити електрон як частинку в конкретному місці. Такі експерименти дозволяють дізнатися, наприклад, скільки часу знадобиться електрону, щоб покинути молекулу чи матеріал або перейти від одного атома до іншого. Це дає багато інформації безпосередньо про структуру речовини, її фізичні та хімічні властивості, процеси в біологічних системах.

Логічним є питання: для чого саме можна використовувати ці нові експериментальні методи? Аттосекундна фізика дозволяє досліджувати такі фундаментальні питання, як часові масштаби та механізми фотоефекту, за відкриття якого Альберт Айнштайн отримав Нобелівську премію з фізики у 1921 році. Наприклад, якщо опромінити аттосекундним імпульсом атом неону, чи одночасно будуть вилітати електрони із зовнішньої 2p орбіталі і трохи глибшої орбіталі 2s? Виявляється, що ні, і електрон із зовнішньої орбіталі вилітає всього лише на 20 аттосекунд раніше! Тепер настільки точні дослідження на атомарних рівнях стають можливими.

Більш прикладними застосуваннями є, наприклад, локалізація електронів в молекулах. Фактично аттосекундна фізика дозволяє досліджувати процеси перенесення заряду в матеріалах та молекулах. Це означає, що з часом ми зможемо розробляти дуже важливі нові застосування в таких галузях, як електроніка, каталіз, медицина та інших. Так, один із лауреатів, Ференц Краус, уже активно працює над розробкою методу відміток за допомогою надкоротких світлових імпульсів, що застосовуються до біологічних зразків. Очікується, що це дозволить ранню діагностику захворювань — наприклад, раку легень.

Аттосекундні імпульси можна використовувати не лише для спостереження, а й для управління процесами. На цьому будуються ідеї надшвидкої електроніки. Сучасна електроніка використовує напівпровідникові транзистори. Їхній час перемикання між станами (0 та 1) становить наносекунди (10^-9 секунди) — звідси й береться обмеження частоти вашого процесора в декілька гігагерців, що відповідає декільком десятим наносекунди. Використання ж оптичних перемикань на основі аттосекундних імпульсів можуть підвищити цей показник щонайменше на декілька порядків в порівнянні з поточними технологіями, а отже, дозволити виконувати в стільки ж разів більше операцій за той самий час.

Кількість нових запитань і можливих застосувань, які відкривають розроблені методики, тільки зросла з часу відкриття цієї галузі фізики, і, впевнений, лише продовжить зростати. Простір можливостей для технологічного розвитку та вирішення фундаментальних завдань тепер як ніколи великий. Двері до світу електронів відкриті.