Електрони в импулси светлинa

Ваня Милева Последна промяна на 03 октомври 2023 в 13:51 3807 0

Кредит ©Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences

Нобелова награда за физика за 2023 година е поделена между Пиер Агостини (Pierre Agostini), Ференц Краус (Ferenc Krausz) и Ан Л’Юлие (Anne L’Huillier) "за експериментални методи, които генерират атосекундни светлинни импулси за изследване на динамиката на електроните в материята".

Тазгодишните лауреати чрез своите експерименти създават светлинни импулси, които са достатъчно кратки, за да направят моментни снимки на изключително бързите движения на електроните. Ан Л’Юлие открива нов ефект от взаимодействието на лазерната светлина с газовите атоми. Пиер Агостини и Ференц Краус демонстрират, че този ефект може да се използва за създаване на още по-кратки светлинни импулси, невъзможни досега.

Малките колибри могат да размахват крилата си 80 пъти в секунда. Ние можем да възприемаме това само като бръмчащ звук и замъглено движение. За човешките сетива бързите движения се размиват и изключително кратките събития са невъзможни за наблюдение. Нужни са ни технологични трикове, за да уловим или изобразим тези много кратки моменти.

Високоскоростната фотография правят възможно заснемането на детайлни изображения на мимолетни явления. Силно фокусирана снимка на колибри в полет изисква време на експозиция, което е много по-кратко от единичен удар на крилото.

Колкото по-бързо е събитието, толкова по-бързо трябва да се направи снимката, за да се улови моментът. Същият принцип се прилага за всички методи, използвани за измерване или изобразяване на бързи процеси. Всяко измерване трябва да се извърши по-бързо от времето, необходимо на изследваната система да претърпи забележима промяна, в противен случай резултатът е неясен. Тазгодишните лауреати са провели експерименти, които демонстрират метод за производство на светлинни импулси, които са достатъчно кратки, за да заснемат изображения на процеси вътре в атомите и молекулите.

Естествената времева скала на атомите е невероятно кратка. В една молекула атомите могат да се движат и въртят за милионни части от милиардната част от секундата или за фемтосекунди. Тези движения могат да бъдат изследвани с най-кратките импулси, които могат да бъдат произведени с лазер – но когато цели атоми се движат, времевата скала се определя от техните големи и тежки ядра, които са много по-бавни бавни в сравнение с леките и пъргави електрони. Когато електроните се движат вътре в атоми или молекули, те го правят толкова бързо, че промените се размазват за една фемтосекунда. В света на електроните позициите и енергиите се променят със скорости между една и няколкостотин атосекунди, където атосекунда е една милиардна част от милиардната част от секундата.

Една атосекунда е толкова кратка, че броят им в една секунда е същият като броя секунди, изминали от възникването на Вселената преди 13,8 милиарда години. В по-сравним мащаб можем да си представим светкавица, изпратена от единия край на стаята до противоположната стена – това отнема десет милиарда атосекунди.

Една фемтосекунда дълго време се смяташе за ограничение за продължителността на един импулс светлина, който е възможно да се произведе. Подобряването на съществуващата технология не бе достатъчно, за да се видят процеси, протичащи в удивително кратките времеви мащаби на електроните. Нужно е нещо съвсем ново.

Тазгодишните лауреати провеждат експерименти, които отварят новото изследователско поле на атосекундната физика.

По-къси импулси с помощта на високи обертонове

Светлината се състои от вълни – вибрации в електрически и магнитни полета – които се движат през вакуум по-бързо от всичко друго. Те имат различни дължини на вълната, еквивалентни на различни цветове. Например червената светлина има дължина на вълната около 700 нанометра, една стотна от ширината на косъм, и се върти с около четиристотин и тридесет хиляди милиарда пъти в секунда. Можем да си представим най-краткия възможен светлинен импулс като дължината на единичен период в светлинната вълна, цикълът, при който тя е в своя пик, слиза надолу и обратно към началната си точка.

В този случай дължините на вълните, използвани в обикновените лазерни системи, никога не могат да паднат под фемтосекунда, така че през 80-те години на миналия век това се смяташе за твърда граница за възможно най-кратките изблици на светлина.

Математиката, която описва вълните, показва, че всяка форма на вълна може да бъде изградена, ако се използват достатъчно вълни с правилните размери, дължини на вълните и амплитуди (разстояния между върховете и падовете).

Номерът на атосекундните импулси е, че е възможно да се правят по-къси импулси чрез комбиниране на повече и по-къси дължини на вълната.

Наблюдаването на движенията на електроните в атомен мащаб изисква достатъчно кратки импулси светлина, което означава комбиниране на къси вълни с много различни дължини на вълната.

За да се добавят нови дължини на вълните към светлината, е необходим повече от един лазер. Ключът към най-краткия миг, изследван някога, е феномен, който възниква, когато лазерната светлина преминава през газ.

Светлината взаимодейства с атомите на газа и предизвиква обертонове – вълни, които се вместват с цели цикли във всеки цикъл в оригиналната вълна. Можем да сравним това с обертоновете, които придават на звука неговия специфичен характер, което ни позволява да чуем разликата между една и съща нота, изсвирена на китара и пиано.

През 1987 г. Ан Л’Юлие и нейните колеги от френска лаборатория успяват да произведат и демонстрират обертонове с помощта на инфрачервен лазерен лъч, който се предава през благороден газ. Инфрачервената светлина предизвиква повече и по-силни обертонове от лазера с по-къси дължини на вълните, който е бил използван в предишни експерименти. В този експеримент са наблюдавани много обертонове с приблизително еднакъв интензитет на светлината.

В серия от статии Ан Л’Юлие продължава да изследва този ефект през 90-те години, включително в новата си база, Университета в Лунд. Нейните резултати допринасят за теоретичното разбиране на това явление, поставяйки основата на следващия експериментален пробив.

Избягалите електрони създават обертонове

Когато лазерната светлина навлезе в газа и въздейства върху неговите атоми, тя предизвиква електромагнитни вибрации, които изкривяват електрическото поле, задържащо електроните около атомното ядро. След това електроните могат да избягат от атомите. Въпреки това, електрическото поле на светлината вибрира непрекъснато и когато промени посоката си, свободен електрон може да навлезе обратно към ядрото на своя атом. По време на екскурзията на електрона той събира много допълнителна енергия от електрическото поле на лазерната светлина и, за да се прикрепи отново към ядрото, трябва да освободи излишната си енергия като импулс от светлина. Тези светлинни импулси от електроните са това, което създава обертоновете, които се появяват в експериментите.

Енергията на светлината е свързана с нейната дължина на вълната. Енергията в излъчваните обертонове е еквивалентна на ултравиолетовата светлина, която има по-къси дължини на вълните от светлината, видима за човешкото око. Тъй като енергията идва от вибрациите на лазерната светлина, вибрациите на обертоновете ще бъдат елегантно пропорционални на дължината на вълната на оригиналния лазерен импулс. Резултатът от взаимодействието на светлината с много различни атоми са различни светлинни вълни с набор от специфични дължини на вълната.

След като тези обертонове съществуват, те взаимодействат един с друг. Светлината става по-интензивна, когато пиковете на светлинните вълни съвпадат, но става по-малко интензивна, когато пикът в един цикъл съвпада с дъното на друг. При правилните обстоятелства обертоновете съвпадат, така че да се появи поредица от ултравиолетови импулси, като всеки импулс е дълъг няколкостотин атосекунди. Физиците разбират теорията зад това през 90-те години, но пробивът в истинското идентифициране и тестване на импулсите се случва през 2001 г.

Пиер Агостини и неговата изследователска група във Франция успяват да произведат и изследват поредица от последователни светлинни импулси, като влак с вагони. Те използват специален трик, поставяйки „импулсния влак“ заедно със забавена част от оригиналния лазерен импулс, за да видят как обертоновете са във фаза един с друг. Тази процедура им дава и измерване на продължителността на импулсите в поредицата и могат да видят, че всеки импулс продължава само 250 атосекунди.

По същото време Ференц Краус и неговата изследователска група в Австрия работят върху техника, която може да избере единичен импулс – като вагон, който се откачва от влака и се превключва на друг коловоз. Импулсът, който успяват да изолират, продължава 650 атосекунди и групата го използва, за да проследи и проучи процес, при който електроните се изтеглят от техните атоми.

Тези експерименти показаха, че атосекундните импулси могат да бъдат наблюдавани и измерени и че могат да се използват и в нови експерименти.

Сега, когато светът на атосекундата стана достъпен, тези кратки изблици на светлина могат да се използват за изследване на движенията на електроните. Сега е възможно да се произвеждат импулси до няколко десетки атосекунди и тази технология се развива непрекъснато.

Движенията на електроните станаха достъпни

Атосекундните импулси позволяват да се измери времето, необходимо на един електрон да бъде изтеглен от атома, и  как това време зависи от това колко здраво е свързан електронът с ядрото на атома. Възможно е да се реконструира как разпределението на електроните се колебае около атома или в молекули и материали. Преди това тяхната позиция можеше да бъде измерена само като средна стойност.

Атосекундните импулси могат да се използват за тестване на вътрешните процеси на материята и за идентифициране на различни събития. Тези импулси са използвани за изследване на подробната физика на атомите и молекулите и имат потенциални приложения в области от електроника до медицина.

Например атосекундни импулси могат да се използват за изтласкване на молекули, които излъчват измерим сигнал. Сигналът от молекулите има специална структура, като един вид пръстов отпечатък, който разкрива каква е молекулата, а сред възможните приложения е медицинската диагностика.

Източник: Electrons in pulses of light (pdf), Nobel Committee for Physics

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Физика

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !