Как электроны связаны с современной наукой?

Наука и жизньНаука

Премия за самый короткий импульс света

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Фотография пчелы у цветка. Выдержка слишком велика, поэтому крылья, движущиеся с большой частотой, размазались и видны лишь в виде полупрозрачного облачка. Источник: pixabay.com

Словно следуя заветам Альфреда Нобеля, премию по физике в 2023 году Нобелевский комитет вручил исключительно экспериментаторам, хотя без значительного вклада теоретиков решить проблему не удалось бы. «За экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе» лауреатами стали Пьер Агостини (Франция, США), Ференц Краус (Венгрия, Австрия, Германия) и Анн Л’Юилье (Франция, Швеция). Используя очень короткие импульсы света длительностью в аттосекунды, можно изучать поведение электронов внутри атомов и молекул в реальном времени. Лауреаты Нобелевской премии по физике этого года дали исследователям инструмент для подобных исследований, по сути, основав новый раздел физики. Анн Л’Юилье стала пятой женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике за все годы, и второй за последние пять лет.

Очень многое в современной науке и технологиях связано с электронами, буквально — вездесущими частицами. Они определяют свойства атомов, строение вещества, химические реакции и большое число физических процессов. На их основе работает электроника и другие разнообразные устройства. Их используют для различных исследований — от физических до медицинских. Поэтому учёные всегда стремились получить в свои руки всё более совершенные инструменты для исследования поведения электронов, измерения их характеристик и управления ими. На этом пути были достигнуты огромные успехи, но подробности очень важных и интересных процессов, которые происходят с электронами в атомах и молекулах, долгое время оставались для исследователей невидимыми, поскольку не существовало инструментов, способных их «разглядеть».

Слева направо. Пьер Агостини. Ференц Краус. Анн Л’Юилье. Источник: osu.edu, Thorsten Naeser/www.attoworld.de/CC BY 2, Bengt Oberger/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

Всё дело в том, что заметные изменения положения и энергии электронов внутри атомов и молекул происходят в лучшем случае за сотни аттосекунд (1 ас = 10−18 с). Для обхода атома водорода электрону потребуется около 150 ас. А часто перемены происходят даже за доли аттосекунды. Аттосекунда — экстремально короткий промежуток времени, миллиардная доля миллиардной доли секунды. За 13,8 миллиарда лет, прошедших с момента возникновения нашей Вселенной, секунд прошло в два раза меньше, чем аттосекунд содержится в одной секунде. Свет, который за одну секунду преодолевает 300 000 км (более семи длин экватора Земли), за 1 ас успевает пройти расстояние всего в 2,5 атома водорода.

Чтобы различить детали быстрого процесса, инструмент исследователя должен работать ещё быстрее. Можно провести аналогию с фотографированием. Когда делают снимок объекта, движущегося с большой скоростью, выдержка фотоаппарата (время, в течение которого открыт его затвор, свет поступает на матрицу или плёнку и формируется снимок) должна быть существенно меньше, чем время значительного изменения положения объекта. Иначе за время экспозиции его изображение будет перемещаться по кадру и фотография станет размытой и непонятной. Так, пчела во время полёта совершает около 200 взмахов крыльями в секунду или 1 взмах за 0,005 с. Поэтому, чтобы на фотографии было видно положение крыльев, выдержка должна быть значительно меньше 0,005 с.

Для исследования электронов физики используют спектроскопию, основанную на изучении того, как вещество поглощает или излучает свет при облучении его импульсом света. Это похоже на работу стробоскопа: короткая вспышка света выхватывает из темноты перемещающийся объект, создавая впечатление, что он неподвижен. Многие наблюдали подобную картину на концертах и дискотеках. Таким образом, чтобы разобрать детали электронных процессов, импульс должен быть значительно короче времени их протекания, то есть иметь аттосекундную длительность. Однако генерация подобных импульсов оказалась сложнейшей задачей!

Свет — электромагнитная волна, следовательно, минимальная протяжённость импульса света в пространстве должна быть сопоставима с его длиной волны (λ), а во времени — с периодом колебаний. Период 100 ас (частота 1016 Гц) соответствует самому коротковолновому, экстремальному ультрафиолетовому излучению (XUV), а меньшие длительности попадают уже в рентгеновский диапазон. Физики умеют получать электромагнитное излучение такой частоты с помощью, например, так называемого лазера на свободных электронах, где оно генерируется ускоренным пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе*. Однако огромные габариты и дороговизна таких установок не позволяют их использовать для проведения широких исследований. Другие методы неудобны для создания столь коротких импульсов, ведь мало сгенерировать нужную частоту, надо ещё создать способ очень быстрого включения-выключения света. Никакие электронные, а тем более механические средства на это неспособны.

Так что альтернативы обычному лазерному излучению пока нет. Но уже диапазон ультрафиолета, не говоря о рентгеновском, сложен для лазерной генерации. Используемый для исследований титан-сапфировый лазер выдаёт излучение с λ ≈ 800 нм, или период примерно 2,7 фемтосекунды (1 фс = 10−15 с). Это ближний инфракрасный диапазон, однако специально разработанный метод получения первых гармоник излучения помогает достичь ультрафиолета. Создание фемтосекундных лазерных импульсов, получивших название ультракоротких, потребовало значительных усилий, недаром за разработку метода их генерации в 2018 году Жерару Муру и Донне Стрикленд была присуждена Нобелевская премия по физике*. Довольно долгое время на практике самый короткий импульс был около 5 фс. Это замечательно, но для электронов недостаточно. С его помощью можно изучать более медленные процессы с тяжёлыми по сравнению с электронами атомами. За исследование химических реакций с использованием фемтосекундной техники в 1999 году Нобелевскую премию по физике получил Ахмед Зевейл**.

* См. статью: А. Понятов. Манипулируя светом. — «Наука и жизнь» № 12, 2018 г.

** См. Нобелевские премии 1999 года. — «Наука и жизнь» № 2, 2000 г.

Общий спектр генерации высоких гармоник (HHG) — зависимость их интенсивности от частоты (номера) гармоники. Сначала интенсивность падает, затем остаётся постоянной (плато) и, наконец, снова падает (отсечка). Рисунок (с изменениями): Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

Однако для получения более коротких аттосекундных импульсов потребовался совершенно другой подход. Здесь на помощь физикам пришла математика (Фурье-анализ), которая предсказывала, что, оказывается, такой короткий импульс можно создать сложением достаточного количества волн ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов правильной амплитуды и фазы. Правда, чем короче надо получить импульс, тем большее число волн нужно сложить. Причём волны должны быть распределены по большому диапазону частот, различающихся в несколько десятков раз. Проблема в том, что эти волны надо сначала каким-то образом сгенерировать, так что просто лазера здесь мало.

История аттосекундных импульсов началась в 1987 году, когда Анн Л’Юилье и её коллеги из французского Центра ядерных исследований Сакле (в настоящее время Париж-Сакле) обнаружили, что при прохождении мощного инфракрасного фемтосекундного лазерного света через газ аргон тот начинает излучать большое число когерентных (то есть колеблющихся согласованно) световых волн более высокой частоты с удивительными свойствами. Частоты волн были кратны основной лазерной частоте, другими словами, были больше неё в целое число раз. Такие колебания физики называют обертонами, или гармониками. Само явление наблюдали не впервые, его регистрировали ещё в 1977 году. Удивительным в этот раз было поведение амплитуды обертонов. Интенсивность излучения нечётных гармоник сначала довольно резко уменьшилась с увеличением их номера, затем была почти постоянной от 5-й и примерно до 33-й гармоники (плато спектра), а затем снова уменьшилась.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Красота по-японски Красота по-японски

В чем суть ключевых понятий японской эстетики?

Вокруг света
Zooуборка Zooуборка

Полезные советы для четвероногих чистюль и их хозяев

Лиза
За водой на лунный южный полюс («Луна-25» и другие) За водой на лунный южный полюс («Луна-25» и другие)

Задачи, которые стояли перед «Луной-25», никуда не делись. Их придётся решать

Наука и жизнь
«Я убью тебя, брат»: что такое сиблинговый комплекс «Я убью тебя, брат»: что такое сиблинговый комплекс

Почему сиблинги ненавидят друг друга?

Psychologies
Самый энергичный свет Самый энергичный свет

История открытия и некоторые факты о гамма-лучах

Наука и жизнь
«Я никогда не…»: один простой вопрос может превратить игру в психотерапию «Я никогда не…»: один простой вопрос может превратить игру в психотерапию

Может ли простая игра стать способом терапии?

Psychologies
Сейсмограф князя Голицына Сейсмограф князя Голицына

О вкладе Бориса Голицына в мировую науку — беседа с Георгием Голицыным

Знание – сила
Коротко и ясно: 5 саммари полезных книг для тех, кто хочет сэкономить время и узнать все самое интересное Коротко и ясно: 5 саммари полезных книг для тех, кто хочет сэкономить время и узнать все самое интересное

Подборка саммари самых интересных книг для саморазвития

ТехИнсайдер
В ожидании Меркурия В ожидании Меркурия

Меркурий единственная планета Солнечной системы без атмосферы с магнитным полем

Наука и жизнь
Как в детстве, но лучше. Топ игр для автомобилистов на VK Play Как в детстве, но лучше. Топ игр для автомобилистов на VK Play

Игры для автолюбителей: от гоночных аркад до симулятора водителя автобуса

РБК
Спорная кандидатура: как порнозвезда Чиччолина стала депутатом парламента, и к чему это привело Спорная кандидатура: как порнозвезда Чиччолина стала депутатом парламента, и к чему это привело

Как порнозвезда Чиччолина стала испытанием для политической системы Италии

Правила жизни
Преступление и выживание Преступление и выживание

«Костяной домик»: отличный хоррор, трансформирующийся в отличный триллер

Weekend
Белогорье зовет Белогорье зовет

Чем знаменита Белгородская область и почему сюда едут туристы

Отдых в России
Какой срок службы у грязевых шин? Какой срок службы у грязевых шин?

Срок службы у грязевых шин зависит от региона эксплуатации и климата

4x4 Club
«Невидимка» Дуссе-Алинь «Невидимка» Дуссе-Алинь

Хабаровский край скрывает сохранившиеся в первозданном виде природные уголки

Наука и жизнь
Дед Мороз с кешбэком Дед Мороз с кешбэком

Как выбрать подарки близким на Новый год и при этом не разориться и не прогадать

Лиза
Влюбленные в облаках и со стертой памятью: фильмы Мишеля Гондри от худшего к лучшему Влюбленные в облаках и со стертой памятью: фильмы Мишеля Гондри от худшего к лучшему

Все игровые фильмы одного из главных фантазеров современного кино Мишеля Гондри

Правила жизни
Коллективные неврозы современности: психические расстройства, которыми страдают все Коллективные неврозы современности: психические расстройства, которыми страдают все

Отрывок из книги «Психотерапия и экзистенциализм»

ТехИнсайдер
Как работает обет на исполнение желаний: сложный, но верный способ воплотить свои мечты в 2024 году Как работает обет на исполнение желаний: сложный, но верный способ воплотить свои мечты в 2024 году

Есть ли у тебя желание, претворения которого в жизнь ты особенно жаждешь?

VOICE
Пахарь расправил плечи. Продолжение Пахарь расправил плечи. Продолжение

Как история рода поможет обрести уверенность в себе

СНОБ
Удар, ломающий судьбы Удар, ломающий судьбы

Почему инсульт настолько опасен и как защитить себя от этой страшной болезни

N+1
Путеводитель по винному миру. Как правильно читать и понимать «географические указания» на этикетках вин Путеводитель по винному миру. Как правильно читать и понимать «географические указания» на этикетках вин

Что такое «географические указания» на этикетках вин

СНОБ
Есть или не есть — вот в чем вопрос: что будет, если совсем отказаться от супа? Есть или не есть — вот в чем вопрос: что будет, если совсем отказаться от супа?

Необходим ли суп в ежедневном рационе?

ТехИнсайдер
Славный город Славный город

Все годы жизни Севастополь подтверждал правильный выбор своего имени

Отдых в России
У биологов не получилась мышь с крысиным сердцем и сосудами У биологов не получилась мышь с крысиным сердцем и сосудами

Испанские исследователи отработали методику создания химерных мышей

N+1
Как производители подсаживают вас на электронные сигареты: 3 коварных приема Как производители подсаживают вас на электронные сигареты: 3 коварных приема

Почему электронные сигареты такие популярные?

Psychologies
Оптимистический взгляд на расчеловечивание Оптимистический взгляд на расчеловечивание

«Королевство зверей» и французский боди-‍хоррор

Weekend
Сахарские странники – аддаксы Сахарские странники – аддаксы

Аддаксы – одно из наиболее редких млекопитающих в мире

Знание – сила
Мини-ПК и одноплатные компьютеры: что это такое и стоит ли покупать? Мини-ПК и одноплатные компьютеры: что это такое и стоит ли покупать?

Мини-ПК: стоит ли покупать такие гаджеты, и для чего они подойдут лучше всего

CHIP
«Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать»: 100 лучших пословиц и поговорок «Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать»: 100 лучших пословиц и поговорок

Пословицы и поговорки — не просто красивые фразы. В них отражен опыт народа

ТехИнсайдер
Открыть в приложении