Как электроны связаны с современной наукой?

Наука и жизньНаука

Премия за самый короткий импульс света

Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов

Фотография пчелы у цветка. Выдержка слишком велика, поэтому крылья, движущиеся с большой частотой, размазались и видны лишь в виде полупрозрачного облачка. Источник: pixabay.com

Словно следуя заветам Альфреда Нобеля, премию по физике в 2023 году Нобелевский комитет вручил исключительно экспериментаторам, хотя без значительного вклада теоретиков решить проблему не удалось бы. «За экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе» лауреатами стали Пьер Агостини (Франция, США), Ференц Краус (Венгрия, Австрия, Германия) и Анн Л’Юилье (Франция, Швеция). Используя очень короткие импульсы света длительностью в аттосекунды, можно изучать поведение электронов внутри атомов и молекул в реальном времени. Лауреаты Нобелевской премии по физике этого года дали исследователям инструмент для подобных исследований, по сути, основав новый раздел физики. Анн Л’Юилье стала пятой женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике за все годы, и второй за последние пять лет.

Очень многое в современной науке и технологиях связано с электронами, буквально — вездесущими частицами. Они определяют свойства атомов, строение вещества, химические реакции и большое число физических процессов. На их основе работает электроника и другие разнообразные устройства. Их используют для различных исследований — от физических до медицинских. Поэтому учёные всегда стремились получить в свои руки всё более совершенные инструменты для исследования поведения электронов, измерения их характеристик и управления ими. На этом пути были достигнуты огромные успехи, но подробности очень важных и интересных процессов, которые происходят с электронами в атомах и молекулах, долгое время оставались для исследователей невидимыми, поскольку не существовало инструментов, способных их «разглядеть».

Слева направо. Пьер Агостини. Ференц Краус. Анн Л’Юилье. Источник: osu.edu, Thorsten Naeser/www.attoworld.de/CC BY 2, Bengt Oberger/Wikimedia Commons/CC BY-SA 3.0

Всё дело в том, что заметные изменения положения и энергии электронов внутри атомов и молекул происходят в лучшем случае за сотни аттосекунд (1 ас = 10−18 с). Для обхода атома водорода электрону потребуется около 150 ас. А часто перемены происходят даже за доли аттосекунды. Аттосекунда — экстремально короткий промежуток времени, миллиардная доля миллиардной доли секунды. За 13,8 миллиарда лет, прошедших с момента возникновения нашей Вселенной, секунд прошло в два раза меньше, чем аттосекунд содержится в одной секунде. Свет, который за одну секунду преодолевает 300 000 км (более семи длин экватора Земли), за 1 ас успевает пройти расстояние всего в 2,5 атома водорода.

Чтобы различить детали быстрого процесса, инструмент исследователя должен работать ещё быстрее. Можно провести аналогию с фотографированием. Когда делают снимок объекта, движущегося с большой скоростью, выдержка фотоаппарата (время, в течение которого открыт его затвор, свет поступает на матрицу или плёнку и формируется снимок) должна быть существенно меньше, чем время значительного изменения положения объекта. Иначе за время экспозиции его изображение будет перемещаться по кадру и фотография станет размытой и непонятной. Так, пчела во время полёта совершает около 200 взмахов крыльями в секунду или 1 взмах за 0,005 с. Поэтому, чтобы на фотографии было видно положение крыльев, выдержка должна быть значительно меньше 0,005 с.

Для исследования электронов физики используют спектроскопию, основанную на изучении того, как вещество поглощает или излучает свет при облучении его импульсом света. Это похоже на работу стробоскопа: короткая вспышка света выхватывает из темноты перемещающийся объект, создавая впечатление, что он неподвижен. Многие наблюдали подобную картину на концертах и дискотеках. Таким образом, чтобы разобрать детали электронных процессов, импульс должен быть значительно короче времени их протекания, то есть иметь аттосекундную длительность. Однако генерация подобных импульсов оказалась сложнейшей задачей!

Свет — электромагнитная волна, следовательно, минимальная протяжённость импульса света в пространстве должна быть сопоставима с его длиной волны (λ), а во времени — с периодом колебаний. Период 100 ас (частота 1016 Гц) соответствует самому коротковолновому, экстремальному ультрафиолетовому излучению (XUV), а меньшие длительности попадают уже в рентгеновский диапазон. Физики умеют получать электромагнитное излучение такой частоты с помощью, например, так называемого лазера на свободных электронах, где оно генерируется ускоренным пучком электронов, распространяющимся в ондуляторе*. Однако огромные габариты и дороговизна таких установок не позволяют их использовать для проведения широких исследований. Другие методы неудобны для создания столь коротких импульсов, ведь мало сгенерировать нужную частоту, надо ещё создать способ очень быстрого включения-выключения света. Никакие электронные, а тем более механические средства на это неспособны.

Так что альтернативы обычному лазерному излучению пока нет. Но уже диапазон ультрафиолета, не говоря о рентгеновском, сложен для лазерной генерации. Используемый для исследований титан-сапфировый лазер выдаёт излучение с λ ≈ 800 нм, или период примерно 2,7 фемтосекунды (1 фс = 10−15 с). Это ближний инфракрасный диапазон, однако специально разработанный метод получения первых гармоник излучения помогает достичь ультрафиолета. Создание фемтосекундных лазерных импульсов, получивших название ультракоротких, потребовало значительных усилий, недаром за разработку метода их генерации в 2018 году Жерару Муру и Донне Стрикленд была присуждена Нобелевская премия по физике*. Довольно долгое время на практике самый короткий импульс был около 5 фс. Это замечательно, но для электронов недостаточно. С его помощью можно изучать более медленные процессы с тяжёлыми по сравнению с электронами атомами. За исследование химических реакций с использованием фемтосекундной техники в 1999 году Нобелевскую премию по физике получил Ахмед Зевейл**.

* См. статью: А. Понятов. Манипулируя светом. — «Наука и жизнь» № 12, 2018 г.

** См. Нобелевские премии 1999 года. — «Наука и жизнь» № 2, 2000 г.

Общий спектр генерации высоких гармоник (HHG) — зависимость их интенсивности от частоты (номера) гармоники. Сначала интенсивность падает, затем остаётся постоянной (плато) и, наконец, снова падает (отсечка). Рисунок (с изменениями): Johan Jarnestad/The Royal Swedish Academy of Sciences.

Однако для получения более коротких аттосекундных импульсов потребовался совершенно другой подход. Здесь на помощь физикам пришла математика (Фурье-анализ), которая предсказывала, что, оказывается, такой короткий импульс можно создать сложением достаточного количества волн ультрафиолетового и рентгеновского диапазонов правильной амплитуды и фазы. Правда, чем короче надо получить импульс, тем большее число волн нужно сложить. Причём волны должны быть распределены по большому диапазону частот, различающихся в несколько десятков раз. Проблема в том, что эти волны надо сначала каким-то образом сгенерировать, так что просто лазера здесь мало.

История аттосекундных импульсов началась в 1987 году, когда Анн Л’Юилье и её коллеги из французского Центра ядерных исследований Сакле (в настоящее время Париж-Сакле) обнаружили, что при прохождении мощного инфракрасного фемтосекундного лазерного света через газ аргон тот начинает излучать большое число когерентных (то есть колеблющихся согласованно) световых волн более высокой частоты с удивительными свойствами. Частоты волн были кратны основной лазерной частоте, другими словами, были больше неё в целое число раз. Такие колебания физики называют обертонами, или гармониками. Само явление наблюдали не впервые, его регистрировали ещё в 1977 году. Удивительным в этот раз было поведение амплитуды обертонов. Интенсивность излучения нечётных гармоник сначала довольно резко уменьшилась с увеличением их номера, затем была почти постоянной от 5-й и примерно до 33-й гармоники (плато спектра), а затем снова уменьшилась.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Масса за горизонтом событий Масса за горизонтом событий

О том, как удалось обнаружить и «взвесить» одну из сверхмассивных чёрных дыр

Наука и жизнь
ИИ-модель, разработанная DeepMind, предсказывает погоду точнее всех существующих методов ИИ-модель, разработанная DeepMind, предсказывает погоду точнее всех существующих методов

Компания Google DeepMind разработала модель прогнозирования погоды

ТехИнсайдер
Музей целой Вселенной Музей целой Вселенной

Кирхерианум: что общего у ордена иезуитов и интерактивного музея

Вокруг света
Римма Маркова. «Она уехала, но Антонио не мог ее забыть. Прилетел в Москву и сделал предложение» Римма Маркова. «Она уехала, но Антонио не мог ее забыть. Прилетел в Москву и сделал предложение»

О Римме Марковой рассказывают ее дочь Татьяна Никитина и друг — Сергей Касьянов

Караван историй
От мала до велика От мала до велика

Рассматриваем рекордсменов из царства животных

Наука и жизнь
Идиот и злодейство Идиот и злодейство

Как саботажник Швейк оказался самым обнадеживающим супергероем литературы

Weekend
От местечковой драмы до дела Бейлиса. Еврейское кино в царской России От местечковой драмы до дела Бейлиса. Еврейское кино в царской России

Еврейская культура оставалась заметной частью повседневной жизни миллионов людей

Дилетант
«Бензин самотеком не подавать»: о чем предупреждали водителей советских автобусов «Бензин самотеком не подавать»: о чем предупреждали водителей советских автобусов

Что значит надпись «бензин самотеком не подавать» и в чем минусы самотека

ТехИнсайдер
От копеечной свечи От копеечной свечи

Всё началось с того, что осенью 1664 года в небе над Англией была видна комета

Дилетант
«Спасти мир за 24 ч аса — это про меня!» «Спасти мир за 24 ч аса — это про меня!»

Мы встретились с Мариной Ермошкиной и оказались... на чужой свадьбе!

OK!
Конечно они Конечно они

«Иванушки» по-прежнему на волне и в чартах!

OK!
Вечный спор: Mercedes-Benz GLE или BMW X5? Вечный спор: Mercedes-Benz GLE или BMW X5?

Mercedes-Benz GLE или BMW X5: какая модель лучше?

4x4 Club
Как выбрать и ухаживать за экошубой, чтобы она выглядела Как выбрать и ухаживать за экошубой, чтобы она выглядела

По каким критериям выбирать искусственную шубу и как потом за ней ухаживать?

VOICE
Что будет, если питаться фастфудом каждый день Что будет, если питаться фастфудом каждый день

Как фастфуд влияет на физическое и психическое здоровье?

РБК
Полностью многоразовая ракетаноситель от фирмы Stoke Space Полностью многоразовая ракетаноситель от фирмы Stoke Space

Как Stoke Space решает проблему повторного использования вторых ступеней ракет

Наука и техника
Людовик, или История распада Людовик, или История распада

Быть сыном и наследником одного из творцов мировой истории нелегко

Знание – сила
С чистого листа. 5 главных песен Джона Леннона С чистого листа. 5 главных песен Джона Леннона

Рассматриваем биографию Джона Леннона через 5 его главных песен

СНОБ
«Если бы не жена, я был бы другим человеком» «Если бы не жена, я был бы другим человеком»

Александр Степанов – о метаморфозах рэпа и песнях для Бузовой

VOICE
Автор в голове у героя: 5 выдающихся фантастических циклов с повествованием от первого лица Автор в голове у героя: 5 выдающихся фантастических циклов с повествованием от первого лица

Книги, которые создают у читателя эмоциональную связь с героем-рассказчиком

ТехИнсайдер
Атомные гиганты полярных морей. Смена поколений Атомные гиганты полярных морей. Смена поколений

Зачем России XXI века нужны ледоколы?

Наука и техника
Чем закусывали пиво в СССР? Чем закусывали пиво в СССР?

Сушки — одна из самых популярных закусок в советское время

Maxim
Быть одному — вовсе не плохо: 5 неожиданных преимуществ одиночества Быть одному — вовсе не плохо: 5 неожиданных преимуществ одиночества

Одиночество имеет преимущества и для физического, и для морального здоровья

ТехИнсайдер
Позолоченные «бриджертоны» Позолоченные «бриджертоны»

«Буканьерки»: невесты 1870-го выбирают Тейлор Свифт

Weekend
Сабина Ахмедова Сабина Ахмедова

Сабина Ахмедова — почему круто быть госпожой своей жизни

Собака.ru
Покровитель и опекун: как Алексей Боголюбов помогал художникам и дружил с императором Покровитель и опекун: как Алексей Боголюбов помогал художникам и дружил с императором

Алексей Боголюбов прививал вкус императорской семье

Forbes
«Группы смерти», жизнь в интернете и общественный диалог: каким получился фильм «Белый список» «Группы смерти», жизнь в интернете и общественный диалог: каким получился фильм «Белый список»

Режиссер Алиса Хазанова: об умении переключаться после съемок

Psychologies
«Я занималась сексом с мужчинами у него на глазах»: бывшая возлюбленная P Diddy обвинила его в многолетнем насилии «Я занималась сексом с мужчинами у него на глазах»: бывшая возлюбленная P Diddy обвинила его в многолетнем насилии

Бывшая Пи Дидди заявила, что он 13 лет подвергал ее насилию и издевательствам

VOICE
Как похудеть на... 10 лет Как похудеть на... 10 лет

Как распрощаться не только с лишним весом, но и с «лишним» возрастом?

Лиза
Лидер, игрок, мудрец: 12 архетипов, которые складываются в ходе взросления с братьями и сестрами Лидер, игрок, мудрец: 12 архетипов, которые складываются в ходе взросления с братьями и сестрами

Почему так важно дружить с братьями и сестрами, особенно когда мы взрослеем?

Psychologies
Что бы вы сказали себе 18-летнему, если бы могли вернуться в прошлое? Вот 25 идей Что бы вы сказали себе 18-летнему, если бы могли вернуться в прошлое? Вот 25 идей

Как именно (и зачем) нужно обращаться к себе из прошлого

Psychologies
Открыть в приложении