3 października 2023 r. przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki. Zapraszamy do zapoznania się z komentarzem eksperckim do tego wydarzenia, który przygotował dr inż. Marek Izdebski z Instytutu Fizyki Wydziału FTIMS PŁ.
Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki w 2023 roku została przyznana Pierre’owi Agostiniemu, Ferencowi Krauszowi i Anne L’Huillier za eksperymentalne metody generacji attosekundowych impulsów światła do badania dynamiki elektronów w materii.
Pomiar lub obrazowanie niezwykle szybkich procesów wymaga impulsów światła o czasie tak krótkim, aby badany układ nie uległ znaczącej zmianie. Gdy elektrony poruszają się w atomach lub cząsteczkach, ich pozycje i energie zmieniają się w czasie rzędu od kilku do kilkuset attosekund, gdzie attosekunda jest jedną miliardową miliardowej części sekundy. Doskonalenie istniejącej technologii nie wystarczyło jednak do wytworzenia tak krótkich impulsów światła i potrzebne było zupełnie nowe podejście, które zawdzięczamy tegorocznym Noblistom.
W 1987 roku Anne L’Huillier zaobserwowała, że podczas przepuszczania podczerwonej wiązki światła lasera przez gaz szlachetny powstaje wiele wyższych harmonicznych światła laserowego o mniej więcej tym samym natężeniu. Zrozumienie tego zjawiska położyło teoretyczne podwaliny pod późniejszy przełom eksperymentalny.
W 2001 roku Pierre Agostini i jego grupa badawcza stwierdzili, że powstające harmoniczne są spójne. Nakładanie się spójnych harmonicznych prowadzi do powstawania maksimów natężenia światła w miejscach, w których różne harmoniczne mają zgodne fazy i osłabienia światła tam, gdzie maksimum jednej harmonicznej nakłada się na minimum innej. W odpowiednich warunkach możliwe jest otrzymanie attosekundowych skoncentrowanych impulsów w miejscach, w których wiele harmonicznych nakłada się w zgodnej fazie. Wykorzystując tę metodę Agostini wytworzył serię kolejnych impulsów świetlnych, z których każdy trwał 250 attosekund. W tym samym czasie Ferenc Krausz i jego grupa opracowali technikę, która pozwala wybrać pojedynczy impuls o czasie trwania 650 attosekund. Obecnie możliwe jest wytwarzanie impulsów trwających zaledwie 53 attosekundy, a technologia cały czas jest rozwijana.
Attosekundowe impulsy światła otwierają możliwości badania dynamiki elektronów w atomach, cząsteczkach i materii w fazie skondensowanej. Możliwe zastosowania obejmują różne dziedziny, od odpowiedzi na fundamentalne pytania fizyki, poprzez śledzenie przebiegu reakcji chemicznych na poziomie zmian struktury elektronowej, aż do zastosowań praktycznych w medycynie i elektronice.
Gdy Albert Einstein otrzymał w 1921 roku nagrodę Nobla za odkrycie prawa efektu fotoelektrycznego, nie było możliwe określenie ram czasowych tego efektu i fizycy jeszcze przez wiele lat postrzegali efekt jako natychmiastowy. W pionierskim eksperymencie grupy Krausza zaobserwowano opóźnienie czasowe, które występuje pomiędzy emisją elektronów z orbitali 2s i 2p w zjonizowanym atomie helu. Kolejne eksperymenty innych badaczy wykazały istnienie opóźnienia czasowego np. pomiędzy fotoemisją z wody w stanie ciekłym i gazowym, co pozwoliło na wyodrębnienie wpływu solwatacji jako zjawiska dominującego dla opóźnienia czasowego fotojonizacji.
Łącząc ultraszybkie źródła światła z optyką szerokopasmową i precyzyjną technologią analizy pól attosekundowych, grupa Krausza opracowała technikę „molekularnego odcisku palca” w polu elektrycznym. Oczekuje się, że ta nowa technika analityczna znajdzie zastosowanie do wykrywania charakterystycznych molekularnych śladów chorób w próbkach krwi, przy czym będzie możliwe monitorowanie wielu cząsteczek w tym samym czasie.
dr inż. Marek Izdebski,
Instytut Fizyki PŁ