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

Белых пятен больше нет Белых пятен больше нет

Десять удивительных географических объектов, открытых в XX и XXI веке

Вокруг света
Какой была жизнь в гигантских дирижаблях довоенной эпохи Какой была жизнь в гигантских дирижаблях довоенной эпохи

Путешествие на "цеппелине" напоминало круиз на морском лайнере

ТехИнсайдер
Клин с клином Клин с клином

Клинопись – древнейшая известная человечеству система письма

Вокруг света
Полетели головы: каким получился «Год рождения» Михаила Местецкого? Полетели головы: каким получился «Год рождения» Михаила Местецкого?

«Я верю только в панк, рок-н-ролл»: рецензия на фильм «Год рождения»

Правила жизни
Самый энергичный свет Самый энергичный свет

История открытия и некоторые факты о гамма-лучах

Наука и жизнь
Недорогие старые препараты предотвратили мигрень не хуже дорогих новых Недорогие старые препараты предотвратили мигрень не хуже дорогих новых

Ученые сравнили эффективность препаратов для профилактики приступов мигрени

N+1
Окинавский пастушок Окинавский пастушок

Единственная нелетающая птица Японии — ямбару-куина, или окинавский пастушок

Наука и жизнь
«Мама проверяла, дышу ли я»: история лыжницы, которая побеждает, несмотря на булимию «Мама проверяла, дышу ли я»: история лыжницы, которая побеждает, несмотря на булимию

32-летняя Джесси Диггинс является самой титулованной американкой в лыжных гонках

Forbes
Римские скрепы Римские скрепы

Через 12 лет после гибели Клеопатры Октавиан Август занялся семейными ценностями

Дилетант
Отпусти и забудь Отпусти и забудь

5 советов, которые помогут восстановиться после развода

Лиза
Красота заменит думскроллинг Красота заменит думскроллинг

Как взаимодействие с нейросетями может скрасить ваши будни

ТехИнсайдер
Смотрибельные и классные российские фильмы 90-х Смотрибельные и классные российские фильмы 90-х

Какие российские фильмы 90-х стоит посмотреть?

Maxim
Удиви меня: без каких навыков не найти работу за рубежом Удиви меня: без каких навыков не найти работу за рубежом

Основные причины отказа российским кандидатам в международных компаниях

Forbes
Спорт без боли Спорт без боли

Почему болят мышцы после тренировки и как быстро с этим справиться

Лиза
Компактное застолье Компактное застолье

Даже на небольшой кухне должно быть место, где можно уютно позавтракать

Лиза
Лень или нежелание? Лень или нежелание?

Разбираемся в скрытых причинах отложенных дел

Grazia
Отдать нельзя выбросить Отдать нельзя выбросить

Какими темпами в России развивается фудшеринг

Агроинвестор
Безумные новогодние блюда прошлого, от которых люди решили отказаться Безумные новогодние блюда прошлого, от которых люди решили отказаться

Блюда, которые сегодня показались бы неуместными на праздничном застолье

ТехИнсайдер
Сделано набело Сделано набело

Автор проекта Мария Единая преобразила устаревший интерьер

SALON-Interior
В одну черную, черную пятницу… В одну черную, черную пятницу…

Что такое синдром упущенной выгоды и как нас заставляют покупать ненужное

Лиза
Как преодолеть тактильный голод: 4 рекомендации от психолога Как преодолеть тактильный голод: 4 рекомендации от психолога

Что делать, если один жаждет объятий, а второй холоден и отстранен?

Psychologies
«Было или не было?»: почему мы скучаем по времени, в котором никогда не жили «Было или не было?»: почему мы скучаем по времени, в котором никогда не жили

Фильмы, фотографии и книги могут вызывать у вас чувство ностальгии

ТехИнсайдер
От «Слова пацана» до «Юмориста»: как российские фильмы и сериалы пересобирают эстетику 1980-х От «Слова пацана» до «Юмориста»: как российские фильмы и сериалы пересобирают эстетику 1980-х

Как эпоху 1980-х видят и переосмысливают современные кинематографисты

Правила жизни
В России выходит автобиография Энцо Феррари «Мои ужасные радости». MAXIM публикует эксклюзивный отрывок В России выходит автобиография Энцо Феррари «Мои ужасные радости». MAXIM публикует эксклюзивный отрывок

Самая важная глава из книги великого конструктора и автогонщика.

Maxim
12 интересных фактов об Ан-2 — самолете, попавшем в книгу рекордов Гиннесса 12 интересных фактов об Ан-2 — самолете, попавшем в книгу рекордов Гиннесса

Биплан Ан-2 был принят в эксплуатацию 75 лет назад — и до сих пор востребован

Maxim
Каждый пятый житель России имеет опыт бездомности Каждый пятый житель России имеет опыт бездомности

20% россиян имеют опыт бездомности: они жили вне дома, у друзей или в хостелах

Forbes
Сонный паралич Сонный паралич

Что такое сонный паралич, почему возникает и можно ли избавиться

Лиза
Формула чуда: как химики сделали шаг к разгадке тайны зарождения жизни Формула чуда: как химики сделали шаг к разгадке тайны зарождения жизни

Последовательная и стройная картина появления первых живых существ

Forbes
4 научных совета о привычках: как перепрограммировать свою жизнь 4 научных совета о привычках: как перепрограммировать свою жизнь

Как ввести новые привычки в свою жизнь легко и без лишних страданий?

ТехИнсайдер
Африка и мир: музыка нас связала Африка и мир: музыка нас связала

Банджо, маримба, сенсерро и другие инструменты, без которых невозможно обойтись

Наука
Открыть в приложении