Co to jest attosekunda? Chemik fizyczny wyjaśnia niewielką skalę czasową badań, które przyniosły Nagrodę Nobl

Grupa trzech badaczy zdobyła Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2023 r. za pracę, która zrewolucjonizowała sposób, w jaki naukowcy badają elektron – poprzez oświetlanie cząsteczek błyskami światła trwającymi attosekundę. Ale jak długa jest attosekunda i co te nieskończenie krótkie impulsy mogą powiedzieć badaczom o naturze materii?

Po raz pierwszy zetknąłem się z tą dziedziną badań jako student chemii fizycznej. Grupa mojego doradcy doktorskiego miała projekt poświęcony badaniu reakcji chemicznych za pomocą impulsów attosekundowych. Zanim zrozumiemy, dlaczego badania nad attosekundą zaowocowały najbardziej prestiżową nagrodą w nauce, warto zrozumieć, czym jest attosekundowy impuls światła.

Ile trwa attosekunda?

„Atto” to przedrostek notacji naukowej reprezentujący 10–18 ^, czyli kropkę dziesiętną, po której następuje 17 zer i 1. Zatem błysk światła trwający attosekundę, czyli 0,000000000000000001 sekundy, jest niezwykle krótkim impulsem światła.

W rzeczywistości w ciągu jednej sekundy przypada mniej więcej tyle attosekund, ile jest sekund w całym wszechświecie.

Wcześniej naukowcy mogli badać ruch cięższych i wolniej poruszających się jąder atomowych za pomocą femtosekundowych (10–15 ⁾ impulsów świetlnych. Tysiąc attosekund mieści się w 1 femtosekundie. Jednak badacze nie byli w stanie zaobserwować ruchu w skali elektronowej, dopóki nie wygenerowali attosekundowych impulsów świetlnych – elektrony poruszają się zbyt szybko, aby naukowcy mogli dokładnie przeanalizować, co robią na poziomie femtosekundowym.

Impulsy attosekundowe

Przegrupowanie elektronów w atomach i cząsteczkach kieruje wieloma procesami w fizyce i leży u podstaw praktycznie każdej części chemii. Dlatego badacze włożyli wiele wysiłku w ustalenie, w jaki sposób elektrony poruszają się i przestawiają.

Jednakże elektrony poruszają się bardzo szybko w procesach fizycznych i chemicznych, co utrudnia ich badanie. Aby zbadać te procesy, naukowcy wykorzystują spektroskopię – metodę badania, w jaki sposób materia absorbuje lub emituje światło. Aby śledzić elektrony w czasie rzeczywistym, badacze potrzebują impulsu światła krótszego niż czas potrzebny na zmianę układu elektronów.

Jako analogię wyobraźmy sobie aparat, który może wykonywać tylko dłuższe ekspozycje, trwające około 1 sekundy. Rzeczy w ruchu, takie jak osoba biegnąca w stronę aparatu lub ptak lecący po niebie, będą na robionych zdjęciach niewyraźne i trudno będzie dokładnie zobaczyć, co się dzieje.

Następnie wyobraź sobie, że używasz aparatu z ekspozycją 1 milisekundy. Teraz ruchy, które wcześniej były rozmazane, zostaną ładnie rozdzielone na wyraźne i precyzyjne migawki. W ten sposób użycie skali attosekundowej zamiast skali femtosekundowej może wyjaśnić zachowanie elektronów.

Badania attosekundowe

Na jakie pytania badawcze mogą zatem pomóc impulsy attosekundowe?

Po pierwsze, zerwanie wiązania chemicznego jest podstawowym procesem w przyrodzie, w którym elektrony wspólne dla dwóch atomów rozdzielają się na niezwiązane atomy. W trakcie tego procesu wcześniej wspólne elektrony ulegają ultraszybkim zmianom, a impulsy attosekundowe umożliwiły badaczom śledzenie w czasie rzeczywistym zerwania wiązania chemicznego.

Zdolność do generowania impulsów attosekundowych – badania, za które trzej badacze otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2023 r. – stała się możliwa po raz pierwszy na początku XXI wieku i od tego czasu dziedzina ta stale szybko się rozwij . Zapewniając krótsze migawki atomów i cząsteczek, spektroskopia attosekundowa pomogła naukowcom zrozumieć zachowanie elektronów w pojedynczych cząsteczkach, na przykład migrację ładunku elektronów i pękanie wiązań chemicznych między atomami.

Na większą skalę technologię attosekundową zastosowano również do badania zachowania elektronów w ciekłej wodzie, a także przenoszenia elektronów w półprzewodnikach w stanie stałym. W miarę ciągłego doskonalenia zdolności badaczy do wytwarzania attosekundowych impulsów świetlnych zyskają głębsze zrozumienie podstawowych cząstek tworzących materię.

Link do artykułu: https://theconversation.com/what-is-an-attosecond-a-physical-chemist-explains-the-tiny-time-scale-behind-nobel-prize-winning-research-214907

Wierzymy w swobodny przepływ informacji

Publikuj nasze artykuły za darmo, w Internecie lub w formie drukowanej, na licencji Creative Commons.

Komunikat prasowy

angielski
angielski (pdf)
szwedzki
szwedzki (pdf)

3 października 2023 r

Królewska Szwedzka Akademia Nauk podjęła decyzję o przyznaniu Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki za rok 2023

Pierre Agostini
Uniwersytet Stanowy Ohio, Columbus, USA

Ferenc Krausz
Max Planck Instytut Optyki Kwantowej, Garching i Ludwig-Maximilians-Universität München, Niemcy

Uniwersytet Anne L’Huillier
w Lund, Szwecja

„za metody eksperymentalne generujące attosekundowe impulsy światła do badania dynamiki elektronów w materii”

Eksperymenty ze światłem pozwalają uchwycić najkrótsze chwile

Trzej Laureaci Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki 2023 zostali wyróżnieni za swoje eksperymenty, które zapewniły ludzkości nowe narzędzia do badania świata elektronów wewnątrz atomów i cząsteczek. Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier pokazali, jak wytworzyć niezwykle krótkie impulsy światła, które można wykorzystać do pomiaru szybkich procesów, w których elektrony poruszają się lub zmieniają energię.

W postrzeganiu przez ludzi szybko zmieniające się zdarzenia nakładają się na siebie, podobnie jak film składający się z nieruchomych obrazów jest postrzegany jako ciągły ruch. Jeśli chcemy badać naprawdę krótkie zdarzenia, potrzebujemy specjalnej technologii. W świecie elektronów zmiany zachodzą w ciągu kilku dziesiątych attosekundy – attosekunda jest tak krótka, że ​​w ciągu jednej sekundy jest ich tyle, ile minęło sekund od narodzin wszechświata.

W wyniku eksperymentów laureatów wygenerowano impulsy światła tak krótkie, że można je mierzyć w attosekundach, co pokazało, że impulsy te można wykorzystać do uzyskania obrazów procesów zachodzących wewnątrz atomów i cząsteczek.

W 1987 roku Anne L’Huillier odkryła, że ​​podczas przepuszczania światła lasera podczerwonego przez gaz szlachetny powstało wiele różnych odcieni światła. Każdy alikwot jest falą świetlną o określonej liczbie cykli na każdy cykl światła lasera. Są one spowodowane interakcją światła lasera z atomami gazu; daje niektórym elektronom dodatkową energię, która jest następnie emitowana w postaci światła. Anne L’Huillier w dalszym ciągu badała to zjawisko, kładąc podwaliny pod kolejne przełomy.

W 2001 roku Pierre’owi Agostini udało się wytworzyć i zbadać serię kolejnych impulsów świetlnych, z których każdy trwał zaledwie 250 attosekund. W tym samym czasie Ferenc Krausz pracował nad innym typem eksperymentu, pozwalającym wyizolować pojedynczy impuls świetlny trwający 650 attosekund.

Wkład laureatów umożliwił badanie procesów, które są tak szybkie, że wcześniej niemożliwe było ich śledzenie.

„Możemy teraz otworzyć drzwi do świata elektronów. Fizyka attosekundowa daje nam możliwość zrozumienia mechanizmów, którymi rządzą elektrony. Następnym krokiem będzie ich wykorzystanie” – mówi Eva Olsson, przewodnicząca Komitetu Nobla w dziedzinie fizyki.

Istnieją potencjalne zastosowania w wielu różnych obszarach. Na przykład w elektronice ważne jest zrozumienie i kontrolowanie zachowania elektronów w materiale. Impulsy attosekundowe można również wykorzystać do identyfikacji różnych cząsteczek, na przykład w diagnostyce medycznej.