Нобелевская премия по физике 2023

В 2023 году Нобелевскую премию по физике получили ученые в области сверхбыстрой «фотографии» субатомного мира. Энн Л'Уилье из Франции придумала способ, как создать ультракороткие лазерные вспышки, а Пьер Агостини из Франции и Ференц Крауш из Австрии независимо друг от друга применили эту технологию на практике.

Слева направо: Пьер Агостини из Франции и Ференц Крауш из Австрии и Энн Л'Уилье из Франции

Аттосекундная физика

Крупномасштабные процессы во Вселенной обычно имеют медленный «пульс жизни», а мелкомасштабные очень быстрый. Например, возраст вселенной 13,8 миллиардов лет - это 0,4 умноженное на 10 в 18 степени секунд. А фотон пробегает молекулу водорода за 0,247 деленное на 10 в 18 степени секунд. Если нанести эти цифры на график вместе с размерами, то получится почти ровная масштабная прямая. Можно заметить, что аттосекундная физика - это довольно большой участок малоизученных скоростей и расстояний. Это область на карте масштабов, «где обитают драконы». Но, благодаря лауреатам нобелевской премии этого года, мы их от туда скоро выгоним.

Слева направо: синий: атосекундная физика, 24 аттосекудны - атомная единица времени, 43 аттосекунды - самый короткий импульс полученный физиками, 0,2 нанометра - размер атома водорода; зеленый: видимый свет с длиной волны от 380 до 750 нанометров; голубой: радиоволны с длиной волны от 0,1 миллиметра до 10 километров; желтый: размеры и период колебаний звуков кота (самый высокий звук кота и человека совпадают, потому что домашние кошки научились имитировать крики младенцев); серый: размеры и период колебаний голоса человека (самый маленький человек меньше самого большого кота); оранжевый: гравитационные волны наногерцовой частоты, на этих частотах был зафиксирован гравитационный гул Вселенной; снова синий: размеры и возраст видимой Вселенной, радиус в световых годах более чем втрое больше возраста в годах, что не случайно (готовим об этом материал)

Суть технологии

Физики давно хотели «сфотографировать», как электрон перемещается внутри атома. Квантовой магии мы не сможем увидеть из-за эффекта наблюдателя - квантовая механика не любят когда на нее смотрят. Однако, и без этого электрон делает много интересных вещей. Проблемой было то, что за период колебаний самой быстрой волны видимого света электрон успевал очень много чего. На выручку пришли обертона: в музыке - частоты колебаний струны (или голоса, например) выше основного тона. Обертональное пение действительно звучит как что-то из другой вселенной. Удивительно, что люди так умеют.

Энн Л'Уилье в 1987 году предложила использовать наложение волн разной частоты инфракрасного лазера, чтобы сформировать особый короткий импульс, по аналогии с тем как наложение волн применяется в обертональной музыке.

Физики решили при помощи имеющего импульса создать еще более короткий вторичным излучением. Они направили инфракрасный лазер на атомы газа. Электрон в атоме удерживается кулоновскими силами, лежит в «потенциальной яме». Электромагнитное поле искажает действие этих сил и электрон «вываливается» из «ямы». Потом импульс восстанавливает кулоновский барьер и электрон возвращается обратно, излучая вторичные импульсы ультрафиолетового излучения. Новые короткие импульсы накладываются на оригинальный сигнал, создавая серию вспышек длительностью в несколько сотен аттосекунд.

Изображение «путешествия» электрона в статье нобелевского комитета 

Эксперименты

В 2001 году Пьер Агостини поставил эксперимент, где соединил ультрафиолетовые импульсы, полученные из газа с оригинальным лучем инфракрасного лазера, путь которого был удлинен зеркалами. В результате были получен ряд импульсов длительностью 250 аттосекунд. В то же время Ференц Крауш получил одиночный импульс длительностью 650 аттосекунд аналогичным образом. Разве что, в эксперименте Крауша электрон отрывался от атома газа и улетал на совсем.

Когда лазерный луч передается через газ, ультрафиолетовые обертона возникают из-за электронов в атомах газа. В правильных условиях эти обертона могут находиться в одной фазе. Когда их циклы совпадают, формируются концентрированные аттосекундные импульсы. Лазерный свет разделяется на два луча, один из которых используется для создания последовательности аттосекундных импульсов. Этот пульс затем добавляется к исходному лазерному импульсу

В 2017 году группа физиков из Швейцарии усложнила схему эксперимента, создав импульсы длительностью 43 аттосекунды в мягком рентгеновском диапазоне. Это самые короткие импульсы, полученные в лаборатории на данный момент. Сейчас технология активно развивается и здорово, что нобелевская премия смотрит в будущее, награждая за перспективные разработки. Однако, это все еще ретроградное сообщество, оценивающее проверенные временем открытия. Возможно, авторы эксперимента 2017 года получат награду эдак в 2040-м.

Чем аттосекундная физика может быть полезна?

Личная жизнь электрона очень интересна для физиков сама по себе, а может ли она быть полезна нормальным людям? Например, из экспериментов, которые удостоились премии по химии в этом году, сделали телевизоры. И да, у аттосекундной физики есть применение в медицине и it. Рассмотрев как работает молекула, например, белка, можно улучшить понимание работы вирусов и бактерий, создать более эффективные лекарства. А если использовать оптические транзисторы, то частота в 23 петагерца обойдет самые быстрые современные процессоры где-то в 2,6 миллиона раз.

Что еще почитать?

Под каждой статьей в комментариях пишут: «это полный отстой, вот ссылка на статью, где написано тоже самое, но круто!» Что ж, не могу остановить безобразие, поэтому его возглавлю. Нобелевский комитет опубликовал отличные брошюрки: попроще и посложнее. Даже если воспользоваться автоматическим переводом текст остается доступным для понимания.

Автор статьи — физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал