Svarbiame pranešime 2023 m. Spalio 3 d. Vakare buvo atidengtas Nobelio fizikos premija už 2023 m.

Terminas „Attosekundės lazeris“ savo pavadinimą kildina iš neįtikėtinai trumpo laikotarpio, kuriame jis veikia, ypač attosekundžių tvarka, atitinkančiu 10^-18 sekundžių. Svarbiausia suvokti didžiulę šios technologijos svarbą, esminis supratimas apie tai, ką reiškia attosekundė, yra svarbiausia. Attosekundė yra ypač minutė laiko vienetas, sudarantis milijardą milijardo sekundės per platesnį sekundės kontekstą. Žvelgiant į tai, jei mes prilygintume sekundę į aukštą kalną, atosekundė būtų panaši į vieną smėlio grūdą, esantį kalno bazėje. Šiame trumpalaikiame laiko intervale net šviesa vos gali pervažiuoti atstumą, lygiavertį atskiro atomo dydžiui. Pasinaudodami attosekundės lazeriais, mokslininkai įgyja precedento neturinčio sugebėjimo patikrinti ir manipuliuoti sudėtinga elektronų dinamika atominėse struktūrose, panašiai kaip rėmo su loto judesio pakartojimas kinematografinėje sekoje, tokiu būdu gilintis į jų sąveiką.

Attosekundės lazeriaiAtspindi didelių mokslininkų ir suderintų mokslininkų, kurie panaudojo netiesinės optikos principus, kad būtų galima sukurti ypačrius lazerius, kulminaciją. Jų atėjimas suteikė mums novatorišką tašką stebint ir tyrinėjant dinaminius procesus, kylančius atomuose, molekulėse ir net elektronuose kietose medžiagose.

Norint išsiaiškinti attosekundės lazerių pobūdį ir įvertinti jų netradicinius požymius, palyginti su įprastais lazeriais, būtina ištirti jų kategorizavimą platesnėje „lazerių šeimoje“. Klasifikacija pagal bangos ilgį vietose attosekundės lazeriai daugiausia yra ultravioletinių ir minkštųjų rentgeno dažnių diapazone, tai reiškia, kad jų žymiai trumpesni bangos ilgiai, priešingai nei įprasti lazeriai. Kalbant apie išvesties režimus, attosekundės lazeriai patenka į impulsinių lazerių kategoriją, kuriai būdingi ypač trumpi impulsų trukmė. Norėdami nubrėžti aiškumo analogiją, galima numatyti ištisinių bangų lazerius, panašius į žibintuvėlį, skleidžiantį nuolatinį šviesos pluoštą, o impulsiniai lazeriai primena strobo šviesą, greitai pakaitomis tarp apšvietimo ir tamsos laikotarpių. Iš esmės attosekundės lazeriai pasižymi pulsuojančiu elgesiu apšvietimu ir tamsoje, tačiau jų perėjimas tarp dviejų būsenų išsiaiškina stulbinantį dažnį ir pasiekia attosekundžių karalystę.

Tolesnis galios kategorijas lazeriai į mažos galios, vidutinės galios ir didelės galios laikiklius. Attosekundės lazeriai pasiekia didelę didžiausią galią dėl jų ypač trumpo impulsų trukmės, todėl susidaro ryški didžiausia galia (P) - apibrėžiama kaip energijos intensyvumas per laiko vienetą (p = w/t). Nors individualūs attosekundės lazerio impulsai gali neturėti išskirtinai didelės energijos (W), jų sutrumpintas laikinasis laipsnis (t) suteikia jiems padidėjusią didžiausią galią.

Kalbant apie taikymo sritis, lazeriai apima spektrą, apimantį pramoninę, medicininę ir mokslinę programą. Attosekundės lazeriai pirmiausia randa savo nišą mokslinių tyrimų srityje, ypač tyrinėjant greitai besivystančius reiškinius fizikos ir chemijos srityse, siūlant langą į mikrokosminio pasaulio greitojo dinaminius procesus.

Lazerio vidutinio lazerio kategorizavimas apibūdina lazerius kaip dujų lazerius, kietojo kūno lazerius, skystus lazerius ir puslaidininkinius lazerius. ATTOSECND lazerių generavimas paprastai priklauso nuo dujų lazerio terpės, pasinaudojant netiesiniu optiniu efektu, kad sukeltų aukštos eilės harmoniką.

Apibendrinant, attosekundės lazeriai yra unikali trumpų impulsų lazerių klasė, išsiskirianti iš jų ypač trumpa impulsų trukmė, paprastai matuojama attosekundėmis. Dėl to jie tapo nepakeičiamomis priemonėmis, skirtoms stebėti ir kontroliuoti itin dinaminius elektronų procesus atomuose, molekulėse ir kietosiose medžiagose.

Sudėtingas attosekundės lazerio generavimo procesas

„Attoscond“ lazerio technologija yra mokslinių inovacijų priešakyje, ir tai gali pasigirti intriguojančiai griežtai griežtai jo kartos sąlygų rinkiniui. Norėdami išsiaiškinti atosekundės lazerio kartos painiavą, mes pradedame nuo glausto jos pagrindinių principų ekspozicijos, po kurių seka ryškios metaforos, gautos iš kasdienės patirties. Skaitytojams, kuriems nesikeitė atitinkamos fizikos painiavos, nereikia nevilties, nes išeinančioms metaforoms siekiama padaryti pagrindinę attosekundės lazerių fiziką.

ATTOSECND lazerių generavimo procesas pirmiausia priklauso nuo technikos, vadinamos aukšta harmonine karta (HHG). Pirma, didelio intensyvumo femtosekundės (10^-15 sekundžių) lazerio impulsų pluoštas yra griežtai sutelktas į dujinę tikslinę medžiagą. Verta paminėti, kad femtosekundės lazeriai, panašūs į attosekundės lazerius, turi savybių, turinčių trumpą impulsų trukmę ir didelę didžiausią galią. Intensyvaus lazerio lauko įtakoje dujų atomų elektronai akimirksniu išlaisvinami iš jų atominių branduolių, laikinai patenkantys į laisvųjų elektronų būseną. Kadangi šie elektronai svyruoja reaguodami į lazerio lauką, jie ilgainiui grįžta į savo tėvų atominius branduolius ir rekombinuoti su jais, sukurdami naujas didelės energijos būsenas.

Šio proceso metu elektronai juda ypač dideliu greičiu, o rekombinacijai su atominiais branduoliais jie išskiria papildomą energiją aukšto harmoninio išmetimo pavidalu, pasireiškiančiais kaip didelės energijos fotonais.

Šių naujai sugeneruotų didelės energijos fotonų dažnis yra sveikasis skaičius pradinio lazerio dažnio, sudarantis tai, kas vadinama aukštos eilės harmonikomis, kur „harmonika“ žymi dažnius, kurie yra integruotas pirminio dažnio kartotinis. Norint pasiekti attosekundės lazerius, reikia filtruoti ir sutelkti šias aukštos eilės harmonikas, pasirinkti specifines harmonikas ir sutelkti juos į židinio tašką. Jei norite, impulsų suspaudimo metodai gali dar labiau sutrumpinti impulsų trukmę, suteikiant ypač trumpų impulsų attosekundės diapazone. Akivaizdu, kad attosekundės lazerių generavimas yra sudėtingas ir daugialypis procesas, reikalaujantis aukšto techninio meistriškumo ir specializuotos įrangos.

Norėdami parodyti šį sudėtingą procesą, mes siūlome metaforinę paralelę, pagrįstą kasdieniais scenarijais:

Didelio intensyvumo femtosekundės lazerio impulsai:

Įsivaizduokite ypač stiprią katapultą, galintį akimirksniu sumušti akmenis dideliu greičiu, panašų į vaidmenį, kurį vaidina didelio intensyvumo femtosekundės lazerio impulsai.

Dujinė tikslinė medžiaga:

Pavaizduokite ramią vandens telkinį, kuris simbolizuoja dujinę tikslinę medžiagą, kur kiekvienas vandens lašelis reiškia daugybę dujų atomų. Akmenų varomoji akcija į šį vandens telkinį analogiškai atspindi didelio intensyvumo femtosekundės lazerinių impulsų poveikį dujinei tikslinei medžiagai.

Elektronų judesys ir rekombinacija (fiziškai vadinamas perėjimu):

Kai femtosekundės lazerio impulsai veikia dujų atomus dujinėje tikslinėje medžiagoje, nemažai išorinių elektronų akimirksniu sujaudina būseną, kurioje jie atsiriboja nuo atitinkamų atominių branduolių, sudarydami į plazmą panašią būseną. Kai sistemos energija vėliau mažėja (kadangi lazerio impulsai iš prigimties impulsuojami, pasižymi nutraukimo intervalais), šie išoriniai elektronai grįžta į savo atominių branduolių apylinkes, išlaisvindami didelės energijos fotonus.

Aukšta harmoninė karta:

Įsivaizduokite kiekvieną kartą, kai vandens lašelis grįžta į ežero paviršių, jis sukuria virpesius, panašiai kaip aukštos harmonikos attosekundės lazeriuose. Šie virpuliai turi aukštesnius dažnius ir amplitudes nei originalūs virpėjimai, kuriuos sukelia pirminis femtosekundės lazerio impulsas. HHG proceso metu galingas lazerio spindulys, panašus į nuolat mėtymo akmenis, apšviečia dujų taikinį, primenantį ežero paviršių. Šis intensyvus lazerio laukas varo elektronus į dujas, analogiškus virpėjimams, atokiau nuo jų tėvų atomų ir tada juos traukia atgal. Kiekvieną kartą, kai elektronas grįžta į atomą, jis skleidžia naują lazerio pluoštą, kurio dažnis yra didesnis, panašus į sudėtingesnius virpėjimo modelius.

Filtravimas ir fokusavimas:

Derinant visas šias naujai sugeneruotas lazerio pluoštas, gaunamas įvairių spalvų (dažnių ar bangos ilgių) spektras, kai kurie iš jų sudaro attosekundės lazerį. Norėdami atskirti specifinius virpėjimo dydžius ir dažnius, galite naudoti specializuotą filtrą, panašų į norimų virpesių pasirinkimą ir panaudoti padidinamąjį stiklą, kad sutelktumėte juos į konkrečią sritį.

Impulsų suspaudimas (jei reikia):

Jei siekiate greičiau ir trumpiau skleisti virpesius, galite pagreitinti jų sklidimą naudodami specializuotą įrenginį, sumažindami laiką, kurį trunka kiekvienas. Attatosekundžių lazerių generavimas apima sudėtingą procesų sąveiką. Tačiau suskirstant ir vizualizuojant, jis tampa labiau suprantamas.