Как получить Нобелевку: врата в аттосекундную физику

Если говорить коротко, то, как сообщает релиз Нобелевского комитета, лауреаты этого года создали вспышки света, которые были достаточно короткими, чтобы сделать снимки чрезвычайно быстрых движений электронов. Анн Л'Юйе (Лундский университет в Швеции) открыла новый эффект взаимодействия лазерного излучения с атомами газа. Пьер Агостини (Университет Огайо, США) и Ференц Крауш (Институт квантовой оптики Общества Макса Планка при Университете Людвига-Максимилиана в Мюнхене продемонстрировали, что этот эффект может быть использован для создания более коротких импульсов света, чем это было возможно ранее. Разумеется, мы сразу же оговоримся – не вспышки света, а именно лазерные импульсы, а во-вторых, «снимки» стоит взять в кавычки. Но давайте обо все по порядку.

Как сообщает научный релиз Нобелевского комитета, «простые аргументы, основанные на сравнении внутренней атомной единицы времени, составляющей около 24 аттосекунд, и временной шкалы одноциклового оптического импульса, составляющей около одной фемтосекунды (fs), позволили бы предположить, что никогда не будет возможно исследовать динамику электронов в реальном времени. Действительно, в течение довольно долгого времени самый короткий импульс, генерируемый лазерными устройствами в лабораториях, составлял около 6 фс. Это дало возможность исследовать, как движутся атомы в молекуле, и, в частности, возможность изучать неуловимые переходные состояния в химических реакциях». Напомним, что именно за эти исследования Ахмед Зевайл был удостоен Нобелевской премии по химии в 1999 году. Но, как отмечали исследователи, чтобы преодолеть фемтосекундный барьер и проникнуть «внутрь атома» (мы помним, что квантовый мир требует кавычек к нашим обычным понятиям пространства).

Первый шаг в этом направлении сделала дама. Анн Л’Юйе, работавшая в Париже, в 1987 году обнаружила, что когда инфракрасный лазер проходит через благородный газ, возникает множество обертонов световой волны. Мы привыкли, что обертон (гармоника)– когда вместо одной волны появляется несколько, полностью укладывающихся в целую волну. Вторая гармоника (обертон) дает две волны, третья – три и так далее. При этом, как с удивлением выяснили ученые, начиная с пятой и до 33-й гармоники в аргоне, их интенсивность сохранялась одном уровне. Правда, тогда оставалось непонятным, какой механизм вызывает такой эффект. Позже Л’Юйе поняла, что здесь присуствует очень красивый физический эффект.

Когда лазерный луч проникает в газ и взаимодействует с его атомами, он вызывает электромагнитные колебания, которые искажают электрическое поле, удерживающее электроны вокруг атомного ядра. Затем электроны могут туннелировать и вырваться из атомов. Однако электромагнитное поле света колеблется, и когда оно меняет направление, свободный электрон может устремиться обратно к ядру своего атома. При этом за время движения электрона он собирает много дополнительной энергии из электромагнитного поля лазерного луча, и, чтобы снова «прикрепиться» к ядру, он должен высвободить свою избыточную энергию в виде светового импульса. Эти импульсы и создают дополнительные обертоны.

Энергия света связана с его длиной волны. Энергия излучаемых обертонов эквивалентна уже ультрафиолетовому излучению. Поскольку энергия поступает от колебаний лазерного луча, длина волны обертонов будет элегантно пропорциональна длине волны исходного лазерного импульса. Результатом взаимодействия света со множеством различных атомов являются различные световые волны с набором определенных длин волн. Далее эти обертона взаимодействуют друг с другом, и при определенных обстоятельствах, обертоны совпадают и образуется серия ультрафиолетовых импульсов, продолжительность которых не превышает сотен аттосекунд.

В 2001 году произошел следующий прорыв, когда исследователи научились измерять и использовать эти импульсы. Это сделали следующие лауреаты.

Пьеру Агостини и его исследовательской группе во Франции удалось создать и измерить серию последовательных световых импульсов, похожих на поезд с вагонами. Они использовали специальный физический трюк, разделив луч, и соединив полученную «гребенку импульсов» с «отложенной» частью исходного лазерного импульса, чтобы увидеть, насколько обертоны совпадают по фазе друг с другом. Эта процедура также позволила им измерить длительность импульсов в последовательности, и ученые смогли увидеть, что каждый импульс длился всего 250 аттосекунд.

В то же время Ференц Крауш и его исследовательская группа в Австрии работали над методом, который мог бы «отцепить» один «вагон» от этого поезда и перенаправить его на другой путь. Импульс, который им удалось выделить, длился 650 аттосекунд. Группа Крауша сумела использовать этот единичный сверхкороткий импульс для отслеживания и изучения процесса, при котором электроны отрывались от своих атомов.

«С помощью аттосекундных импульсов можно увидеть, как движутся ядра атомов в молекулах. Для этого обычно посылаются два коротких импульса с небольшой задержкой между ними. Сверхкороткие импульсы важны также для исследований в физике конденсированного состояния, в том числе в физике поверхности. Это мощный диагностический инструмент, который находит применения в фотохимии, для биомедицинских задач, и перспективен для микроэлектроники», — комментирует старший научный сотрудник лаборатории нелинейных лазерных процессов и лазерной диагностики Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН кандидат физико-математических наук Илья Игоревич Бетеров.