Четверг, 22 февраля, 2024

16+

Невидимое видимо: за что присудили Нобелевскую премию по физике

Время на чтение 7 мин.

10 декабря в Стокгольме и Осло лауреатам Нобелевской премии 2023 года торжественно вручат их награды. К церемонии мы подготовили цикл статей об открытиях нобелиатов-2023, который начнем с физики: премию получили Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн Л’Юилье за «эксперименты, которые дали человечеству новые инструменты для исследования мира электронов внутри атомов и молекул». Ученые разработали способ создания чрезвычайно коротких импульсов света, которые можно использовать для измерения быстрых процессов, в которых электроны движутся или меняют энергию.

Чем меньше, тем быстрее

Физика делит все, что существует во Вселенной, на макро- и микромир. Микромир — это уровень элементарных частиц, на котором действует квантовые законы, часто непонятные, интуитивно кажущиеся не логичными, но тем не менее формирующие макромир — тот, который мы видим и ощущаем. Поэтому понимание того, как устроен мир на микроуровне, — фундамент понимания и макромира.

В 1827 году британский ботаник Роберт Броун наблюдал в микроскоп, как частицы пыльцы беспорядочно движутся в жидкости, а уже в начале ХХ века Альберт Эйнштейн математически описал броуновское движение в рамках молекулярно-кинетической теории. В микромире происходит что-то подобное: элементарные частицы постоянно рождаются и распадаются, электроны скачут по орбиталям, испуская фотоны, и вся эта кипучая деятельность порождает все, что мы видим вокруг.

Вот только элементарные частицы в микроскоп уже не разглядишь. Чем меньше уровень, тем быстрее там протекают все процессы. Поэтому, если мы хотим изучить движения отдельных молекул или даже электронов, нам нужны технологии, которые позволяют зафиксировать процессы, происходящие за такие доли секунды, которые описываются числами с десятком нулей.

От милли- до фемто-

Война, к сожалению, является одним из мощнейших двигателей прогресса. Во время работы над атомным проектом физикам-ядерщикам требовалось в мельчайших деталях изучить процесс взрыва ядерной бомбы. Для этого использовали кинокамеры, которые могли делать миллионы кадров в секунду (обычная частота — 24 кадра в секунду). Таким образом ученые получили возможность наблюдать за процессами, происходящими за милли- и микросекунды.

Но уже на уровне вещества все процессы занимают наносекунды (10–9) — и это последний уровень, на котором что-то можно разглядеть классическими методами. Например, сканирующий туннельный микроскоп оснащен острой металлической иглой, которая подносится к образцу на расстояние около 0,1 нанометра. Между ней и образцом возникает квантовый эффект туннелирования — явления, когда частица может пройти через барьер, даже если ее энергия меньше высоты этого барьера. Это происходит из-за того, что частица может находиться в нескольких состояниях одновременно, и ее волновая функция может «проходить» через барьер.

Если же нам нужно рассмотреть отдельные атомы или еще меньшие частицы, нужны совершенно другие принципы исследования. И они появились, когда были изобретены лазеры.

Зондирование и накачка

Лазеры позволили использовать метод накачки и зондирования. Он используется в оптической спектроскопии для исследования процессов в веществе. Метод основан на использовании двух лазерных импульсов: первого, который «накачивает» материал, и второго, который «зондирует» его после воздействия первого импульса. Молекула вещества поглощает импульс накачки и начинает колебаться. Второй импульс изучает состояние молекулы в это время. Оба импульса попадают на мишень с задержкой — меняя время последней, ученые как бы получают серию снимков, из данных которой потом делают выводы.

Благодаря такому методу можно наблюдать за протеканием на молекулярном уровне химической реакции — за это получил Нобелевскую премию в 1999 году Ахмед Зевейл.

Процессы с молекулами происходят в течение фемтосекунд — 10–15 секунд. Чтобы использовать метод зондирования и накачки для исследования электронов, необходимы ультракороткие импульсы продолжительностью в аттосекунды — 10–18 секунд. И здесь ученые столкнулись с фундаментальным ограничением, которое назвали фемтосекундный барьер. Период колебания электромагнитной волны видимого диапазона — от 1,5 фемтосекунды для фиолетового света до 2,5 фемтосекунды для красного. Поэтому сделать световой импульс короче не получится — сама природа света этого не позволит.

Конечно, излучение меньшего периода существует — это ультрафиолетовый или рентгеновский диапазоны. Но у нас нет технологий, чтобы получать ультракороткие импульсы в этой части спектра — мы можем управлять только видимым светом.

Милость от природы

Но природа сама же дала нам способ заглянуть в микромир и ответить на вопросы, как функционируют электроны в атоме. В 1988 году Анн Люийе исследовала, как мощный инфракрасный лазер порождает в веществе плато высоких гармоник — излучения на кратных частотах. Совместив классическое и квантовое описание этого процесса, Пол Коркум в 1993 году (к удивлению многих, не вошедший в число нобелиатов этого года) опубликовал статью, в которой заложил основы для создания аттосекундных импульсов. Независимо от него к тем же выводам пришел и Кеннет Кулэндер.

Из-за эффекта туннелирования излучение достаточно мощного лазера может заставить электрон вылететь из ядра (но лазер не должен быть слишком мощным, чтобы не оторвать этот электрон насовсем). Частица получает дополнительную энергию, а затем возвращается в свой родной атом. Перейдя на орбиталь, с которой он только что соскочил, электрон отдает лишнюю энергию, испуская фотон. Именно этот фотон и является импульсом аттосекундного диапазона! Более того, это излучение направлено вдоль исходного мощного импульса. Физики наконец получили то, что им было необходимо, — теперь осталось лишь научиться этими возможностями пользоваться.

Общая схема исследования с помощью аттосекундных импульсов такова. С помощью фемтосекундного лазера по по описанной выше схеме генерируются аттосекундные световые импульсы. Эти импульсы имеют высокую частоту и энергию, что позволяет им проникать глубоко в вещество и взаимодействовать с электронами. Аттосекундный световой импульс взаимодействует с электронами в атомах или молекулах исследуемого вещества. В результате этого взаимодействия электроны переходят на более высокие энергетические уровни (это называется возбуждение электронов).

Затем электроны возвращаются на свои основные уровни, излучая свет с определенной длиной волны. Этот процесс называется релаксацией электрона. Измеряя длину волны света, излучаемого при релаксации электронов, можно определить их энергию и динамику.

В 2001 году команда Пьера Агостини (работавшая, к слову, в том же университете «Париж-Сакле», что и Анн Люийе) получила серию световых импульсов по 250 аттосекунд каждый. Они же разработали и методику измерения длительности вспышек. Спустя лишь несколько месяцев команда Ференца Крауса из Технического университета Вены получила одиночный импульс длительностью 650 аттосекунд.

Можно ли еще короче?

Аттосекундные лазерные импульсы используются для изучения различных процессов в атомах, молекулах и конденсированных средах. Они позволяют исследовать динамику электронов, структуру атомов и молекул, а также процессы, происходящие на атомном и молекулярном уровне. Большое количество подобных исследований собрано в вышедшем в 2022 году обзоре.

Например, в 2015 году команда под руководством Ханса Якоба Вёрнера проследила, как возмущение электронной плотности, вызванное поглощением фотона, ведет себя в молекуле йодацетилена.

Кроме того, аттосекундные лазерные импульсы могут использоваться для создания новых материалов с уникальными свойствами, для изучения свойств поверхностей и границ раздела материалов, для исследования процессов в биологических системах.

Физики уже работают над тем, чтобы получить рентгеновские импульсы длительностью в несколько аттосекунд или даже короче одной аттосекунды. Это значит, что в течение ближайших лет в распоряжении ученых будет инструмент для изучения явлений, протекающих за зептосекунды (10–21 секунды). А это уже масштабы атомных ядер и отдельных элементарных частиц!

Оставьте ответ

Пожалуйста, введите свой комментарий!
Пожалуйста, введите ваше имя здесь