W ostatnich latach nagrody nobla coraz częściej są przyznawane za osiągnięcia w dziedzinie eksperymentalnej. Tegoroczna nagroda została przyznana za metody eksperymentalne, które umożliwiają generację ekstremalnie krótkich w dziedzinie czasu impulsów światła (attosekundowych), które następnie mogą być wykorzystywane do badania dynamiki elektronów w materii.

Jest to niewyobrażalna skala czasowa (atto — 10^-18), w której sekundę należy podzielić na miliard części i następnie taką część z podziału jeszcze raz podzielić na miliard części. Przeskalowując trochę tę jednostkę, na podziałce sekundowej 1 attosekunda zajmuje tyle miejsca, co 1 sekunda na skali wieku całego wszechświata (13,8 miliarda lat).

W obecnej elektronice proces przełączania tranzystora zajmuje ok 1 ns. Attosekunda to miliard razy szybciej. Ale ta właśnie skala czasowa jest potrzebna do śledzenia zachowania się elektronu w procesach cząsteczkowych i subatomowych. Np. 150 as zajmuje elektronowi okrążenie jądra atomowego w atomie wodoru. Francusko-szwedzka fizyk Anne L'Huillier wskazała drogę, jak przejść do tej skali czasowej. Stosując lasery bardzo dużej mocy wytworzyła takie super krótkie impulsy. Niektórzy mówią, że jakby stworzyła podwaliny „kina dla elektronów”. W 1987 r., działając wiązką bardzo silnego impulsu laserowego z zakresu podczerwieni na atomy gazu szlachetnego, w wiązce przechodzącej rejestrowała różne bardzo krótkie impulsy wyższych harmonicznych w stosunku do wiązki pobudzającej. Było to skutkiem oddziaływania impulsów światła, które przekazywało energię elektronom w atomach gazu, a następnie zachodził proces reemisji fotonów o wyższych częstościach. W kolejnych latach cała trójka prześcigała się w ustanawianiu rekordów dla super krótkich impulsów. W 2001 r. grupa francuskiego fizyka Pierre'a Agostiniego wytworzyła impulsy o czasie trwania 250 as, a w 2003 grupa L'Huillier pobiła ten rekord uzyskując 170 as. Z kolei w 2008 r. węgiersko-austriacki fizyk Ferenc Krausz uzyskał impulsy 80 as. Obecnie rekord wynosi 43 as.

Limit 1 fs w dynamice procesów fizycznych

Do obserwacji superszybkich zjawisk w przyrodzie potrzebujemy procesów fizycznych, które trwają ekstremalnie krótko. Stąd dawno pojawił się pomysł wykorzystania do tego celu impulsów światła. Oscylacje pola elektrycznego i magnetycznego w fali elektromagnetycznej należą do najszybszych procesów w przyrodzie. Jedna oscylacja dla światła o długości fali 300 nm to ok. 1 fs (10^-15 s). Szybsze oscylacje będziemy mieli, jeśli będziemy przesuwać się w stronę UV, promieniowania X i następnie w stronę promieniowania gamma. Stąd 1 fs była uważana za limit dla impulsów światła widzialnego, ponieważ taki impuls składałby się z mniej niż jednej oscylacji fali, czyli w przestrzeni dotyczyłby mniej niż jednej długości fali. Trudno było się spodziewać, że ten limit zostanie złamany. Zagadką było, czy możliwe jest oglądanie procesów zachodzących np. w atomie, jeżeli skala czasowa do obserwacji dynamiki elektronu w atomie to zakres attosekund, a jedna oscylacja fali EM to rząd 1 fs. Problem ten ciągnął się w fizyce od czasów sięgających sformułowania podstaw mechaniki kwantowej.

Matematycznie impulsy femtosekundowe są możliwe do uzyskania, jeśli nałożymy na siebie wiele impulsów falowych o niewiele różniących się częstościach — coś podobnego do efektu dudnienia w akustyce). Efekt superpozycji takich wielu modów z zachowaną relacją fazową (w wyniku zjawisk określanych jako phase matching i modelocking) we wnęce doprowadził do wytworzenia laserów femtosekundowych. Nagroda Nobla z 2018 roku została przyznana za techniki wzmacniania impulsów femtosekundowych i wykorzystania ich do manipulacji nanoobiektami.

Jak limit 1 fs został złamany

Prace noblistów pokazały, że zbiór fal EM o niewiele różniących się częstościach jesteśmy w stanie wytworzyć „jednocześnie” bardzo intensywnym impulsem laserowym w oddziaływaniu z atomami gazów szlachetnych. Atomy gazu znajdujące się w bardzo silnym polu elektrycznym impulsu o natężeniu powyżej 10¹³ W/cm² są uwalniane z atomów i przyspieszane, po czym zawracane oddają energię w postaci impulsów o częstościach będących wielokrotnością impulsu pobudzającego – wyższe harmoniczne. W wiązce przechodzącej, oprócz częstości fali pobudzającej nobliści zaobserwowali mody o częstościach wyższych harmonicznych. Co więcej, okazało się że co najmniej dla kilkudziesięciu kolejnych modów intensywność ich jest stała. Plateau w intensywności modów oraz duża ich liczba oraz bardzo krótkie częstości stworzyły możliwości uzyskania impulsów o czasie trwania poniżej 1 as. Przy okazji okazało się, że zastosowana w eksperymentach noblistów fala pobudzająca 1064 nm miała też swoje znaczenie, gdyż możliwe było przyspieszanie elektronów do wysokich energii, a w procesie reemisji uzyskiwano dużą liczbę wyższych harmonicznych, a otrzymane pulsy miały stosunkowo dużą intensywność.

Waga odkrycia

Tegoroczni nobliści mają swoje osiągnięcia zarówno w wytworzeniu ciągu takich super krótkich impulsów, umiejętności wybierania pojedynczego impulsu z ciągu oraz zastosowania takiego wyselekcjonowanego impulsu do obserwacji procesów elektronowych.

Żeby przedstawić ruch skrzydeł kolibra zachodzącego z częstością ok 80 Hz, potrzebujemy techniki robienia zdjęć w czasie dużo krótszym niż pojedynczy cykl ruch skrzydeł kolibra. Inaczej obraz będzie rozmyty. By obserwować ruch elektronów w atomach i molekułach oraz procesy przekazu energii potrzebujemy skali czasowej od kilku do kilkuset attosekund. Uzyskane przez noblistów super krótkie impulsy światła pozwolą robić „zdjęcia” elektronom, które poruszają się bardzo szybko (inaczej „obraz będzie rozmyty”). Elektrony tworzą coś w rodzaju kleju pomiędzy atomami. Mając narzędzia w skali atto będziemy w stanie powiedzieć np. z której strony molekuły jest elektron, jak atomy łączą się w cząsteczki, jak zachodzi reakcja chemiczna w skali atomowej, ile czasu zajmuje elektronowi opuszczenie atomu/cząsteczki w zależności od siły wiązania, jak następuje przekaz energii w oddziaływaniu elektron-foton czy elektron-elektron, dynamika kreacji par elektron-dziura czy rekombinacji, efekty ekranowania itp.

Następnym etapem będzie wysiłek sterowania zachowaniem elektronów w tej skali czasowej, co otworzy drogę do bardzo szybkiej elektroniki, nowych związków chemicznych, ich identyfikacji, diagnostyki chorób. Członek komitetu noblowskiego Mats Larsson powiedział: Once you can control and understand electrons, you have taken a very big step forward.

Wydział Fizyki PW w perspektywie Nagrody Nobla 2023

Czy Wydział Fizyki PW ma szansę wykorzystać w jakimś malutkim stopniu osiągnięcia w zakresie eksperymentalnych technik generacji impulsów attosekundowych i użyć je do badania dynamiki zjawisk elektronowych? Techniki femtosekundowe rozwijane na wydziale wskazywały na istniejące możliwości w zakresie generacji i wykorzystania impulsów femtosekundowych do badania bardzo szybkich procesów metodami pump-probe czy wykorzystania tych impulsów w zakresie technik terahercowych. Techniki bardzo krótkich impulsów i metody pump-probe należą do bardzo trudnych technik eksperymentalnych, jednak pozwalają zajrzeć do świata zjawisk, który jeszcze niedawno wydawał się być poza zasięgiem.

W skali czasowej attosekund cała materia wygląda jakby zamrożona, zastygła, tylko procesy z udziałem elektronów i światła ożywiają ten krajobraz. Rozwój w zakresie nowych materiałów i nanostruktur jest idealnym polem do eksploracji procesów elektronowych z udziałem impulsów attosekundowych. Wyrafinowana na poziomie elektronowym kontrola procesów reakcji chemicznych otwiera szeroko obszar badawczy w zakresie nowych materiałów do zastosowań w wielu dziedzinach jak konwersja energii, magazynowanie energii, nadprzewodnictwo itp. Procesy elektronowe odgrywają znaczącą rolę w nowej klasie materiałów topologicznych, gdzie elektrony potrafią się zachowywać jak relatywistyczne cząstki bezmasowe. Badanie procesów dynamiki elektronów w takich układach jest dużym wyzwaniem. Należy tutaj też mówić o inteligentnych lekach, diagnostyce chorób. Można tez żartobliwie prognozować, że jeśli kilka lat temu nagroda nobla z fizyki dotyczyła impulsów femtosekundowych, w tym attosekundowych to za kilka lat możemy się spodziewać wkroczenia w zakres impulsów zeptosekundowych.