2023. október 3-án este egy jelentős bejelentés keretében kihirdették a 2023-as fizikai Nobel-díjat, elismerve három tudós kiemelkedő hozzájárulását, akik kulcsszerepet játszottak úttörőként az attoszekundumos lézertechnológia területén.

Az „attoszekundumos lézer” kifejezés a hihetetlenül rövid időskáláról kapta a nevét, amelyen működik, konkrétan attoszekundumok nagyságrendjében, ami 10^-18 másodpercnek felel meg. Ahhoz, hogy megértsük ennek a technológiának a mélyreható jelentőségét, elengedhetetlen az attoszekundum jelentésének alapvető megértése. Az attoszekundum egy rendkívül apró időegység, amely a másodperc egymilliárdod részét teszi ki egyetlen másodperc tágabb kontextusában. Hogy ezt perspektívába helyezzük, ha egy másodpercet egy magas hegyhez hasonlítanánk, az attoszekundum egyetlen homokszemhez hasonlítana, amely a hegy lábánál fekszik. Ebben a rövid időintervallumban még a fény is alig tud akkora távolságot megtenni, mint egy egyedi atom mérete. Az attoszekundumos lézerek használatával a tudósok példátlan képességre tesznek szert, hogy megvizsgálják és manipulálják az elektronok bonyolult dinamikáját az atomi struktúrákon belül, hasonlóan egy képkockánkénti lassított visszajátszáshoz egy filmes sorozatban, ezáltal elmélyedve a kölcsönhatásukban.

Attoszekundumos lézereka tudósok kiterjedt kutatásának és összehangolt erőfeszítéseinek csúcspontját jelentik, akik a nemlineáris optika elveit kihasználva ultragyors lézereket hoztak létre. Megjelenésük innovatív nézőpontot biztosított számunkra az atomokban, molekulákban és akár a szilárd anyagok elektronjaiban lejátszódó dinamikus folyamatok megfigyelésére és feltárására.

Az attoszekundumos lézerek természetének tisztázása és a hagyományos lézerekhez képest szokatlan tulajdonságaik értékelése érdekében elengedhetetlen megvizsgálni a tágabb „lézercsaládon” belüli besorolásukat. A hullámhossz szerinti osztályozás az attoszekundumos lézereket túlnyomórészt az ultraibolya és a lágy röntgenfrekvenciák tartományába helyezi, ami a hagyományos lézerekhez képest lényegesen rövidebb hullámhosszakat jelent. Kimeneti módok tekintetében az attoszekundumos lézerek az impulzuslézerek kategóriájába tartoznak, amelyeket rendkívül rövid impulzusidőtartamuk jellemez. Az érthetőség kedvéért analógiaként a folyamatos hullámú lézereket egy folyamatos fénysugarat kibocsátó zseblámpához hasonlíthatjuk, míg az impulzuslézerek egy stroboszkóphoz hasonlítanak, amely gyorsan váltakozik a megvilágítási és a sötétségi periódusok között. Lényegében az attoszekundumos lézerek pulzáló viselkedést mutatnak a megvilágítás és a sötétség között, mégis a két állapot közötti átmenetük elképesztő frekvencián történik, elérve az attoszekundumok birodalmát.

A teljesítmény szerinti további kategorizálás a lézereket kis teljesítményű, közepes teljesítményű és nagy teljesítményű kategóriákba sorolja. Az attoszekundumos lézerek rendkívül rövid impulzusidőtartamuk miatt érnek el nagy csúcsteljesítményt, ami kifejezett csúcsteljesítményt (P) eredményez – amelyet az időegységre jutó energiaintenzitásként definiálnak (P=W/t). Bár az egyes attoszekundumos lézerimpulzusok nem feltétlenül rendelkeznek kivételesen nagy energiával (W), rövidített időbeli kiterjedésük (t) megnövekedett csúcsteljesítményt kölcsönöz nekik.

Alkalmazási területek tekintetében a lézerek széles spektrumot ölelnek fel, amely magában foglalja az ipari, orvosi és tudományos alkalmazásokat. Az attoszekundumos lézerek elsősorban a tudományos kutatás területén találják meg a helyüket, különösen a fizika és a kémia gyorsan fejlődő jelenségeinek feltárásában, ablakot nyitva a mikrokozmikus világ gyors dinamikus folyamataira.

A lézerközeg szerinti kategorizálás a lézereket gázlézerekre, szilárdtest lézerekre, folyadéklézerekre és félvezető lézerekre osztja. Az attoszekundumos lézerek előállítása jellemzően gázlézerek közegén múlik, nemlineáris optikai effektusokat kihasználva magas rendű harmonikusokat hoznak létre.

Összefoglalva, az attoszekundumos lézerek a rövid impulzusú lézerek egyedülálló osztályát alkotják, amelyeket rendkívül rövid, jellemzően attoszekundumokban mért impulzusidőtartamuk különböztet meg. Ennek eredményeként nélkülözhetetlen eszközökké váltak az atomokon, molekulákon és szilárd anyagokon belüli elektronok ultragyors dinamikus folyamatainak megfigyelésében és szabályozásában.

Az attoszekundumos lézergenerálás bonyolult folyamata

Az attoszekundumos lézertechnológia a tudományos innováció élvonalában áll, és lenyűgözően szigorú feltételeket szab a létrehozásának. Az attoszekundumos lézergenerálás bonyolultságának megvilágítása érdekében először az alapelvek tömör ismertetésével kezdjük, majd a mindennapi tapasztalatokból származó élénk metaforákkal. Azoknak az olvasóknak, akik nem jártasak a releváns fizika bonyolultságaiban, nem kell kétségbeesniük, mivel a következő metaforák célja, hogy az attoszekundumos lézerek alapvető fizikáját hozzáférhetővé tegyék.

Az attoszekundumos lézerek generálási folyamata elsősorban a nagy harmonikus generálás (HHG) néven ismert technikán alapul. Először is, egy nagy intenzitású femtoszekundumos (10^-15 másodperces) lézerimpulzusokból álló nyalábot szorosan fókuszálnak egy gáz halmazállapotú célanyagra. Érdemes megjegyezni, hogy a femtoszekundumos lézerek, hasonlóan az attoszekundumos lézerekhez, rövid impulzusidőtartammal és nagy csúcsteljesítménnyel rendelkeznek. Az intenzív lézertér hatására a gázatomokban lévő elektronok pillanatnyilag felszabadulnak atommagjukból, és átmenetileg szabad elektronállapotba kerülnek. Ahogy ezek az elektronok a lézertér hatására rezegnek, végül visszatérnek és újra egyesülnek az anyaatommagokkal, új nagy energiájú állapotokat hozva létre.

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

Ezen újonnan generált nagy energiájú fotonok frekvenciái az eredeti lézerfrekvencia egész számú többszörösei, így úgynevezett magasabb rendű harmonikusokat alkotnak, ahol a "harmonikusok" olyan frekvenciákat jelölnek, amelyek az eredeti frekvencia egész számú többszörösei. Az attoszekundumos lézerek előállításához szükségessé válik ezen magasabb rendű harmonikusok szűrése és fókuszálása, specifikus harmonikusok kiválasztása és egy fókuszpontba való koncentrálása. Kívánt esetben az impulzus-tömörítési technikák tovább lerövidíthetik az impulzus időtartamát, így ultrarövid impulzusokat kapunk az attoszekundumos tartományban. Nyilvánvaló, hogy az attoszekundumos lézerek előállítása egy kifinomult és sokrétű folyamat, amely nagyfokú műszaki tudást és speciális berendezéseket igényel.

Ennek a bonyolult folyamatnak a mítoszainak megfejtése érdekében egy mindennapi helyzetekben gyökerező metaforikus párhuzamot kínálunk:

Nagy intenzitású femtoszekundumos lézerimpulzusok:

Képzelj el egy kivételesen erős katapultot, amely képes azonnal, kolosszális sebességgel hajítani köveket, hasonlóan a nagy intenzitású femtoszekundumos lézerimpulzusok szerepéhez.

Gáz halmazállapotú célanyag:

Képzeljen el egy nyugodt vízfelületet, amely a gáz halmazállapotú célanyagot szimbolizálja, ahol minden vízcsepp számtalan gázatomot képvisel. A kövek vízbe lökése hasonlóképpen tükrözi a nagy intenzitású femtoszekundumos lézerimpulzusok gáz halmazállapotú célanyagra gyakorolt ​​hatását.

Elektronmozgás és rekombináció (fizikailag átmenetnek nevezve):

Amikor a femtoszekundumos lézerimpulzusok a gáznemű célanyag gázatomjaira csapódnak, jelentős számú külső elektron gerjesztődik egy pillanatra olyan állapotba, amelyben leválnak a megfelelő atommagról, plazmaszerű állapotot képezve. Ahogy a rendszer energiája ezt követően csökken (mivel a lézerimpulzusok eredendően pulzáltak, és megszűnési időszakokat tartalmaznak), ezek a külső elektronok visszatérnek az atommagok közelébe, nagy energiájú fotonokat szabadítva fel.

Nagy harmonikus generálás:

Képzeljük el, hogy minden alkalommal, amikor egy vízcsepp visszaesik a tó felszínére, fodrozódásokat hoz létre, hasonlóan az attoszekundumos lézerek magas felharmonikusaihoz. Ezek a fodrozódások magasabb frekvenciájúak és amplitúdójúak, mint az elsődleges femtoszekundumos lézerimpulzus által okozott eredeti fodrozódások. A HHG folyamat során egy erős lézersugár, hasonlóan a folyamatosan dobált kövekhez, megvilágít egy gázcéltárgyat, amely a tó felszínére hasonlít. Ez az intenzív lézermező a gázban lévő elektronokat – hasonlóan a fodrozódásokhoz – elhajítja az anyaatomoktól, majd visszahúzza őket. Minden alkalommal, amikor egy elektron visszatér az atomhoz, egy új, magasabb frekvenciájú lézersugarat bocsát ki, ami bonyolultabb fodrozódási mintázatokhoz hasonlít.

Szűrés és fókuszálás:

Mindezen újonnan generált lézersugarak kombinálása különböző színű (frekvenciás vagy hullámhosszú) spektrumot eredményez, amelyek közül néhány alkotja az attoszekundumos lézert. Az egyes hullámméretek és frekvenciák elkülönítéséhez speciális szűrőt használhat, hasonlóan a kívánt hullámok kiválasztásához, és nagyítóval fókuszálhatja azokat egy adott területre.

Pulzuskompresszió (ha szükséges):

Ha a cél a hullámok gyorsabb és rövidebb terjedése, egy speciális eszközzel felgyorsíthatja a terjedésüket, csökkentve az egyes hullámok időtartamát. Az attoszekundumos lézerek generálása összetett folyamatok kölcsönhatását foglalja magában. Azonban, ha lebontjuk és vizualizáljuk, érthetőbbé válik.