2023. október 3-án este adták át a 2023-as fizikai Nobel-díjat, amely három olyan tudós kiemelkedő munkáját ismeri el, akik kulcsfontosságú szerepet játszottak úttörőként az attoszekundumos lézertechnológia területén.

Az "attoszekundumos lézer" elnevezést a hihetetlenül rövid időskáláról kapta, amelyen működik, pontosabban az attoszekundum nagyságrendjében, ami 10^-18 másodpercnek felel meg. Ahhoz, hogy megértsük e technológia mélyreható jelentőségét, alapvetően fontos annak megértése, hogy mit jelent egy attoszekundum. Az attoszekundum egy rendkívül percnyi időegység, amely egyetlen másodperc tágabb kontextusában a másodperc egymilliárd részét alkotja. Hogy ezt perspektívába helyezzük, ha egy másodpercet egy magas hegyhez hasonlítanánk, akkor az attoszekundum egyetlen homokszemhez hasonlítana, amely a hegy tövében fészkelődik. Ebben a röpke időintervallumban még a fény is alig tud megtenni egy atom méretének megfelelő távolságot. Az attoszekundumos lézerek alkalmazása révén a tudósok példátlan képességre tesznek szert az atomi struktúrákon belüli elektronok bonyolult dinamikájának alapos vizsgálatára és manipulálására, ami hasonlít egy filmes sorozatban kockánkénti lassított lejátszáshoz, ezáltal elmélyülve azok kölcsönhatásában.

Attoszekundumos lézereka tudósok kiterjedt kutatásának és összehangolt erőfeszítéseinek csúcspontját jelentik, akik a nemlineáris optika alapelveit hasznosították ultragyors lézerek megalkotásában. Eljövetelük innovatív kilátópontot adott számunkra a szilárd anyagok atomjaiban, molekuláiban, sőt elektronjaiban lezajló dinamikus folyamatok megfigyelésére és feltárására.

Az attoszekundumos lézerek természetének tisztázása és a hagyományos lézerekhez képest nem szokványos tulajdonságaik értékelése érdekében feltétlenül fel kell tárni a tágabb "lézercsaládon" belüli kategorizálásukat. A hullámhossz szerinti osztályozás az attoszekundumos lézereket túlnyomórészt az ultraibolya és a lágy röntgen frekvenciák tartományába helyezi, ami a hagyományos lézerekhez képest lényegesen rövidebb hullámhosszukat jelenti. A kimeneti módok tekintetében az attoszekundumos lézerek az impulzuslézerek kategóriájába tartoznak, amelyeket rendkívül rövid impulzusidejük jellemez. Az egyértelműség kedvéért analógiát vonhatunk le: a folyamatos hullámú lézereket egy folyamatos fénysugarat kibocsátó zseblámpához hasonlíthatjuk, míg az impulzusos lézerek villogó fényre hasonlítanak, gyorsan váltakozva a megvilágítás és a sötétség időszakai között. Lényegében az attoszekundumos lézerek pulzáló viselkedést mutatnak a megvilágításban és a sötétségben, de a két állapot közötti átmenetük elképesztő gyakorisággal megy végbe, elérve az attoszekundumok birodalmát.

A teljesítmény szerinti további kategorizálás a lézereket kis teljesítményű, közepes teljesítményű és nagy teljesítményű konzolokba helyezi. Az attoszekundumos lézerek rendkívül rövid impulzusidejüknek köszönhetően nagy csúcsteljesítményt érnek el, ami kifejezett csúcsteljesítményt (P) eredményez – az egységnyi idő alatti energia intenzitásaként (P=W/t) definiálva. Bár az egyes attoszekundumos lézerimpulzusok nem feltétlenül rendelkeznek kiugróan nagy energiával (W), rövidített időbeli kiterjedésük (t) magasabb csúcsteljesítményt ad nekik.

Ami az alkalmazási területeket illeti, a lézerek ipari, orvosi és tudományos alkalmazásokat is felölelnek. Az attoszekundumos lézerek elsősorban a tudományos kutatás területén találják meg a rést, különösen a fizika és a kémia területén gyorsan fejlődő jelenségek feltárásában, ablakot kínálva a mikrokozmikus világ gyors dinamikus folyamataiba.

A lézeres közeg szerinti kategorizálás a lézereket gázlézerként, szilárdtestlézerként, folyékony lézerként és félvezetőlézerként határozza meg. Az attoszekundumos lézerek generálása jellemzően gázlézeres közegeken múlik, kihasználva a nemlineáris optikai effektusokat, hogy magas rendű harmonikusokat hozzon létre.

Összegezve, az attoszekundumos lézerek a rövid impulzusú lézerek egyedülálló osztályát alkotják, amelyet rendkívül rövid impulzusidejük jellemzi, amelyeket általában attoszekundumban mérnek. Ennek eredményeként nélkülözhetetlen eszközökké váltak az elektronok ultragyors dinamikus folyamatainak megfigyeléséhez és szabályozásához az atomokban, molekulákban és szilárd anyagokban.

Az attoszekundumos lézergenerálás kidolgozott folyamata

Az Attosecond lézertechnológia a tudományos innováció élvonalában áll, és lenyűgözően szigorú feltételekkel büszkélkedhet a generációs számára. Az attoszekundumos lézergenerálás bonyolultságának tisztázására kezdjük a mögöttes elvek tömör kifejtésével, amelyet a mindennapi tapasztalatokból származó élénk metaforák követnek. Azok az olvasók, akik jártasak a vonatkozó fizika bonyolultságaiban, nem kell kétségbe esniük, mivel a következő metaforák célja, hogy hozzáférhetővé tegyék az attoszekundumos lézerek alapvető fizikáját.

Az attoszekundumos lézerek előállítási folyamata elsősorban a High Harmonic Generation (HHG) néven ismert technikára támaszkodik. Először is, egy nagy intenzitású femtoszekundumos (10^-15 másodperc) lézerimpulzussugarat szorosan fókuszálnak egy gáznemű célanyagra. Érdemes megjegyezni, hogy a femtoszekundumos lézerek, hasonlóan az attoszekundumos lézerekhez, megosztják a rövid impulzusidőtartam és a nagy csúcsteljesítmény jellemzőit. Az intenzív lézermező hatására a gázatomokon belüli elektronok pillanatnyilag felszabadulnak az atommagjukból, átmenetileg szabad elektronok állapotába kerülve. Amint ezek az elektronok a lézermező hatására oszcillálnak, végül visszatérnek eredeti atommagjukhoz, és új, nagy energiájú állapotokat hoznak létre.

E folyamat során az elektronok rendkívül nagy sebességgel mozognak, és az atommagokkal való rekombináció során további energiát szabadítanak fel nagy harmonikus emisszió formájában, amely nagy energiájú fotonok formájában nyilvánul meg.

Ezeknek az újonnan generált nagyenergiájú fotonoknak a frekvenciái az eredeti lézerfrekvencia egész számú többszörösei, ami az úgynevezett magasrendű harmonikusokat alkotja, ahol a "harmonikusok" olyan frekvenciákat jelölnek, amelyek az eredeti frekvencia integrált többszörösei. Az attoszekundumos lézerek eléréséhez szükségessé válik ezeknek a magas rendű harmonikusoknak a szűrése és fókuszálása, konkrét felharmonikusok kiválasztása és fókuszpontba való koncentrálása. Kívánt esetben az impulzustömörítési technikák tovább lerövidíthetik az impulzus időtartamát, ultrarövid impulzusokat eredményezve az attoszekundumos tartományban. Nyilvánvaló, hogy az attoszekundumos lézerek előállítása kifinomult és sokrétű folyamat, amely magas fokú műszaki felkészültséget és speciális berendezéseket igényel.

Ennek a bonyolult folyamatnak a megfejtésére egy metaforikus párhuzamot ajánlunk, amely mindennapi forgatókönyvekre épül:

Nagy intenzitású femtoszekundumos lézerimpulzusok:

Képzeljen el egy rendkívül erős katapultot, amely azonnali, óriási sebességgel képes köveket dobálni, hasonlóan a nagy intenzitású femtoszekundumos lézerimpulzusok szerepéhez.

Gáznemű célanyag:

Képzeljen el egy nyugodt víztestet, amely a gáznemű célanyagot szimbolizálja, ahol minden vízcsepp számtalan gázatomot képvisel. A kövek ebbe a víztestbe való lökése hasonlóképpen tükrözi a nagy intenzitású femtoszekundumos lézerimpulzusok hatását a gáznemű célanyagra.

Elektronok mozgása és rekombinációja (fizikailag átmenetnek nevezett):

Amikor a femtoszekundumos lézerimpulzusok a gáznemű célanyagban lévő gázatomokat érintik, a külső elektronok jelentős része pillanatnyilag olyan állapotba gerjesztődik, ahol leválik a megfelelő atommagjukról, és plazmaszerű állapotot alkotnak. Ahogy a rendszer energiája ezt követően csökken (mivel a lézerimpulzusok eredendően impulzusosak, és leállási időközök is vannak), ezek a külső elektronok visszatérnek az atommagok közelébe, és nagy energiájú fotonokat szabadítanak fel.

Magas harmonikus generáció:

Képzelje el, hogy minden alkalommal, amikor egy vízcsepp visszazuhan a tó felszínére, hullámzást kelt, hasonlóan az attoszekundumos lézerek magas harmonikusához. Ezeknek a hullámzásoknak nagyobb a frekvenciája és amplitúdója, mint az elsődleges femtoszekundumos lézerimpulzus által okozott eredeti hullámzásoknak. A HHG folyamat során egy erőteljes lézersugár, amely a folyamatosan dobáló kövekhez hasonlít, megvilágít egy gázcélpontot, amely a tó felszínére emlékeztet. Ez az intenzív lézermező a gázban lévő elektronokat – a hullámzáshoz hasonlóan – elmozdítja szülőatomjaiktól, majd visszahúzza őket. Valahányszor egy elektron visszatér az atomhoz, új, magasabb frekvenciájú lézersugarat bocsát ki, ami bonyolultabb hullámzási mintákhoz hasonlít.

Szűrés és fókuszálás:

Mindezen újonnan előállított lézersugarak kombinálásával különböző színek (frekvenciák vagy hullámhosszak) spektrumát kapjuk, amelyek közül néhány az attoszekundumos lézert alkotja. Az adott hullámméretek és -frekvenciák elkülönítéséhez speciális szűrőt alkalmazhat, amely hasonló a kívánt hullámok kiválasztásához, és nagyítót alkalmazhat, hogy egy adott területre fókuszálja őket.

Impulzusnyomás (ha szükséges):

Ha a hullámok gyorsabb és rövidebb terjesztését szeretné elérni, akkor egy speciális eszközzel felgyorsíthatja terjedésüket, csökkentve az egyes hullámzások időtartamát. Az attoszekundumos lézerek előállítása folyamatok összetett kölcsönhatását foglalja magában. Lebontva és megjelenítve azonban érthetőbbé válik.