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

Город фестивалей Город фестивалей

1000 лет Суздалю – в чем сомневаются историки?

Вокруг света
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
«Невидимка» Дуссе-Алинь «Невидимка» Дуссе-Алинь

Хабаровский край скрывает сохранившиеся в первозданном виде природные уголки

Наука и жизнь
Девушки в деревне Девушки в деревне

Почему жить в деревне — это классно?

Новый очаг
Самый энергичный свет Самый энергичный свет

История открытия и некоторые факты о гамма-лучах

Наука и жизнь
«Откуда берутся дети? Краткий путеводитель по переходу из лагеря чайлдфри к тихим радостям семейственности» «Откуда берутся дети? Краткий путеводитель по переходу из лагеря чайлдфри к тихим радостям семейственности»

Как во время беременности работает иммунитет

N+1
Ничья девочка Ничья девочка

Кем была Елизавета Григорьевна Тёмкина?

Дилетант
Археологи увидели на спутниковых снимках гигантские структуры, созданные людьми бронзового века Археологи увидели на спутниковых снимках гигантские структуры, созданные людьми бронзового века

Археологи обнаружили ранее неизвестную сеть доисторических сооружений

ТехИнсайдер
Кто виноват? Евреи! Кто виноват? Евреи!

Студенческие забастовки стали одним из характерных явлений на сломе XIX–XX веков

Дилетант
«Я подружилась с болезнью» «Я подружилась с болезнью»

Можно ли нормально жить с обсессивно-компульсивным расстройством

Psychologies
Почему термос перестал держать тепло: 3 житейских способа восстановить изоляцию Почему термос перестал держать тепло: 3 житейских способа восстановить изоляцию

Как починить термос, чтобы он снова радовал горячими напитками

ТехИнсайдер
Нестыдный рефлекс: 5 причин, почему сдерживать чихание вредно Нестыдный рефлекс: 5 причин, почему сдерживать чихание вредно

Почему позволять себе свободно чихать — это на здоровье

ТехИнсайдер
Как похудеть на... 10 лет Как похудеть на... 10 лет

Как распрощаться не только с лишним весом, но и с «лишним» возрастом?

Лиза
Как уберечь психику ребенка при разводе: 4 совета Как уберечь психику ребенка при разводе: 4 совета

Как свести негативные последствия от развода для ребенка

Psychologies
«Картинки в голове: И другие рассказы о моей жизни с аутизмом» «Картинки в голове: И другие рассказы о моей жизни с аутизмом»

Как лекарства облегчают жизнь людям с РАС

N+1
Майонез Майонез

Откуда взялся майонез?

Знание – сила
Глубокий вдох Глубокий вдох

Какую пользу приносит дыхательная гимнастика?

Лиза
Ожирение при нехватке лептина полечили моноклональными антителами Ожирение при нехватке лептина полечили моноклональными антителами

Моноклональныхе антитела помогли при лечении ожирения и липодистрофии

N+1
Спасение внутреннего ребенка. О новом фильме Мишеля Гондри «Книга решений» Спасение внутреннего ребенка. О новом фильме Мишеля Гондри «Книга решений»

Каким получился новый фильм «Книга решений» Мишеля Гондри

СНОБ
«Я сделала все, что могла»: как найти силу в своем бессилии «Я сделала все, что могла»: как найти силу в своем бессилии

Глава из книги «Ты можешь: Книга о том, как найти контакт с собой и реальностью»

Psychologies
Мы выяснили, что такое — «Москвич 6». Это точно «китаец»? Мы выяснили, что такое — «Москвич 6». Это точно «китаец»?

Может ли «Москвич 6» в чем-то обставить своих земляков или это еще один китаец

РБК
10 цитат Антона Макаренко, которые поднимут родителей на новый уровень 10 цитат Антона Макаренко, которые поднимут родителей на новый уровень

Каким должен быть авторитет для детей, могут ли родители быть друзьями

Psychologies
Как выбрать головной убор на зиму по форме головы: гид от стилиста Как выбрать головной убор на зиму по форме головы: гид от стилиста

Как именно искать «тот самый» головной убор на зиму

VOICE
Гусары, молчать: почему фильм «Наполеон» Ридли Скотта оказался неточным и однобоким Гусары, молчать: почему фильм «Наполеон» Ридли Скотта оказался неточным и однобоким

Почему в «Наполеоне» исторические процессы сводят к интимной жизни императора?

Forbes
Зеленый свет: каким получился новый кроссовер Jaecoo J7 Зеленый свет: каким получился новый кроссовер Jaecoo J7

Jaecoo J7 — кроссовер, который оценят жители мегаполисов и небольших городов

Forbes
Чем полезен чай каркаде: 3 свойства Чем полезен чай каркаде: 3 свойства

Что такое чай каркаде и чем он полезен?

РБК
Идти навстречу светилу! Идти навстречу светилу!

История института солнечно-земной физики уходит корнями в докосмическую эру

Наука и жизнь
«Кешбэки работают лучше всего — людям нравится получать „живые“ деньги» «Кешбэки работают лучше всего — людям нравится получать „живые“ деньги»

Существует ли альтернатива кешбэку?

Деньги
Остановите передачу: комплекс жертвы, полученный по наследству Остановите передачу: комплекс жертвы, полученный по наследству

Почему большинство из нас является носителем комплекса жертвы

Psychologies
«Я принимаю антидепрессанты. Как это повлияет на секс?»: история из практики сексолога «Я принимаю антидепрессанты. Как это повлияет на секс?»: история из практики сексолога

Как антидепрессанты влияют на секс, либидо и эрекцию

Psychologies
Открыть в приложении