Nobel z fizyki. Do czego służą krótkie impulsy światła?

Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier to laureaci tegorocznego Nobla w dziedzinie fizyki. Doceniono ich za „metody eksperymentalne generujące attosekundowe impulsy światła do badania dynamiki elektronów w materii”. Badania noblistów mogą pomóc w diagnostyce medycznej, badaniu jakości żywności i rozwoju elektroniki.

Nobel z fizyki

.Nazwiska noblistów ogłoszono we wtorek w Sztokholmie. Laureaci podzielą się po równo nagrodą w wysokości 11 mln koron szwedzkich (ok. 4,41 mln zł).

Jak uzasadnił Komitet Noblowski, eksperymenty tegorocznych noblistów dały ludzkości nowe narzędzia do badania świata elektronów wewnątrz atomów i cząsteczek. Dzięki ich pracom możliwe stało się badanie procesów zachodzących tak szybko, że wcześniej niemożliwe było ich śledzenie.

Agostini, Krausz i L’Huillier pokazali bowiem, jak wytworzyć niezwykle krótkie, mierzone w attosekundach impulsy światła. Można je wykorzystać do pomiaru szybkich procesów, w których elektrony poruszają się lub zmieniają energię. W wyniku prowadzonych przez laureatów eksperymentów wygenerowano impulsy światła tak krótkie, że można je mierzyć w attosekundach. To pozwoliło uzyskać obrazy procesów zachodzących wewnątrz atomów i cząsteczek. Za co badacze otrzymali Nobel z fizyki.

Obrazy szybko następujących po sobie zdarzeń – na przykład ruchy skrzydeł ważki czy kolibra – zlewają się ze sobą, co przy normalnej obserwacji uniemożliwia rozróżnienie i dokładną ocenę poszczególnych faz. Również film składający się z nieruchomych obrazów postrzegamy jako ciągły ruch.

Jednak filmy rejestrujące kilkanaście, kilkadziesiąt czy nawet kilkaset klatek na sekundę nic nam nie powiedzą o naprawdę krótko przebiegających zjawiskach. Do badania procesów zachodzących w ciągu milionowej, bilionowej czy trylionowej części sekundy niezbędne są specjalne technologie. W szczególności dotyczy to elektronów -w ich przypadku zmiany mogą zachodzić w ciągu kilku dziesiątych attosekundy (attosekunda to jedna trylionowa sekundy). Attosekunda jest tak krótka, że w ciągu jednej sekundy jest ich tyle, ile minęło sekund od narodzin Wszechświata – 13,8 miliarda lat). Odległość od okna do ściany pokoju światło przebywa w ciągu wielu miliardów attosekund.

„Możemy teraz otworzyć drzwi do świata elektronów. Fizyka attosekundowa daje nam możliwość zrozumienia mechanizmów, którymi rządzą elektrony. Następnym krokiem będzie ich wykorzystanie” – powiedziała Eva Olsson, przewodnicząca Komitetu Noblowskiego w dziedzinie fizyki, opisując badania tegorocznych noblistów.

Potencjalne zastosowania dotyczą wielu obszarów. W elektronice ważne jest zrozumienie i kontrolowanie zachowania elektronów w materiale. Dzięki attosekundowym impulsom można także identyfikować różne cząsteczki, na przykład w diagnostyce medycznej.

Początek badań

.Początek nagrodzonych Noblem badań sięga lat 80. XX wieku. W 1987 roku Anne L’Huillier odkryła, że podczas przepuszczania światła lasera podczerwonego przez gaz szlachetny powstało wiele różnych harmonicznych światła. Każda harmoniczna jest falą świetlną o określonej liczbie cykli na każdy cykl światła lasera. Powstają, gdy światło lasera oddziałuje z atomami gazu i daje niektórym elektronom dodatkową energię, która jest następnie emitowana w postaci światła o krótszym impulsie i krótszej fali. Dalsze badania tego zjawiska przez Anne L’Huillier położyły podwaliny pod kolejne przełomy.

W 2001 roku Pierre’owi Agostiniemu udało się wytworzyć i zbadać serię kolejnych impulsów świetlnych, z których każdy trwał tylko 250 attosekund. W tym samym czasie Ferenc Krausz pracował nad innym typem eksperymentu, który umożliwił wyizolowanie pojedynczego impulsu świetlnego trwającego 650 attosekund.

Warto zauważyć, że Anne L’Huillier (ur. 1958 r.), francuska uczona, profesor fizyki atomowej na Uniwersytecie w Lund w Szwecji, jest piątą w historii laureatką Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki. Prowadzi grupę zajmującą się fizyką attosekundową, która bada ruch elektronów w czasie rzeczywistym. Pomaga to m.in. zrozumieć reakcje chemiczne na poziomie atomów. W 2003 r. razem ze swoim zespołem pobiła rekord światowy generując najkrótszy impuls laserowy o długości 170 attosekund.

Węgiersko-austriacki fizyk Ferenc Krausz (61 lat) wraz ze swoim zespołem badawczym wygenerował i zmierzył pierwszy attosekundowy impuls świetlny. To umożliwiło naukowcom obserwację ruchu elektronów w atomie w czasie rzeczywistym i zapoczątkowało rozwój fizyki attosekundowej. Obecnie pracuje w Instytucie Optyki Kwantowej Maksa Plancka w Garching (Niemcy).

Pierre Agostini (ur. 1941 r.) to francusko-amerykański fizyk eksperymentalny, znany przede wszystkim z wynalezienia techniki (w skrócie RABBITT – reconstruction of attosecond beating by interference of two-photon transitions) pozwalającej charakteryzować optyczne impulsy attosekundowe. Obecnie pracuje na Ohio State University (USA).

Granice poznania

.Pasjonat języków, kultury i informatyk, Jan ŚLIWA, na łamach „Wszystko co Najważniejsze„, zaznacza, że: „Ponieważ oceniamy sytuację z wnętrza obszaru znanego, nie jesteśmy w stanie domyślić się, co jest poza horyzontem. Starożytnym Egipcjanom nigdy by nie przyszło do głowy, że żyli w starożytności, a tym bardziej, że dopiero w Starym Państwie. Patrząc na swoje błyszczące w słońcu piramidy, z pewnością byli dumni ze swojej niezrównanej technologii. Podobnie jak oni, fałszywie postrzegamy nasze obecne osiągnięcia jako obiektywny szczyt ludzkich możliwości – stąd takie książki jak The End of Science Johna Horgana. Przyznaje on, że już sto lat temu naukowcy myśleli, że są już odpowiedzi na wszystkie podstawowe pytania – a potem okazywało się, że się mylili. Według niego tym razem jednak jest tak naprawdę. Załatwione. Może zwieńczenie lekko się chwieje, może brakuje jeszcze jakichś cegiełek, ale cała konstrukcja błyszczy w słońcu jak piramida, elegancka i symetryczna. Oczywiście tak nie jest – dlaczego miałoby tak być?”.

„Właściwie sama nauka uczy nas skromności. Nasza planeta straciła swoje centralne miejsce we Wszechświecie, straciliśmy uprzywilejowane miejsce jako gatunek. Jesteśmy tylko ogniwem w długim łańcuchu ewolucji, jak bakterie czy dinozaury. Nasze DNA różni się tylko w 2 proc. od DNA szympansów. Nasz mózg wyewoluował, aby pomóc nam polować na mamuty, a nie latać na Księżyc czy rozwiązywać równania różniczkowe” – pisze Jan ŚLIWA w tekście „Rzecz o granicach poznania. Uśmiech Zofii„.

PAP/Paweł Wernicki/WszystkocoNajważniejsze/eg