Într-un anunț important în seara zilei de 3 octombrie 2023, a fost dezvăluit Premiul Nobel pentru Fizică pentru anul 2023, recunoscând contribuțiile remarcabile a trei oameni de știință care au jucat roluri esențiale ca pionieri în domeniul tehnologiei laser de attosecundă.

Termenul „laser attosecunde” își trage numele de la scala de timp incredibil de scurtă pe care operează, în special în ordinea attosecundelor, corespunzătoare la 10^-18 secunde. Pentru a înțelege semnificația profundă a acestei tehnologii, o înțelegere fundamentală a ceea ce înseamnă o attosecundă este primordială. O attosecundă reprezintă o unitate de timp extrem de minute, constituind o miliardime dintr-o miliardime de secundă în contextul mai larg al unei singure secunde. Pentru a pune acest lucru în perspectivă, dacă ar fi să comparăm o secundă cu un munte falnic, o attosecundă ar fi asemănătoare cu un singur grăunte de nisip cuibarit la baza muntelui. În acest interval temporal trecător, chiar și lumina poate străbate o distanță echivalentă cu dimensiunea unui atom individual. Prin utilizarea laserelor de attosecundă, oamenii de știință dobândesc capacitatea fără precedent de a examina și de a manipula dinamica complicată a electronilor din structurile atomice, asemănătoare unei reluări cu încetinitorul cadru cu cadru într-o secvență cinematografică, aprofundând astfel în interacțiunea lor.

Laser de attosecundăreprezintă punctul culminant al cercetărilor ample și al eforturilor concertate ale oamenilor de știință, care au valorificat principiile opticii neliniare pentru a crea lasere ultrarapide. Apariția lor ne-a oferit un punct de vedere inovator pentru observarea și explorarea proceselor dinamice care se desfășoară în atomi, molecule și chiar electroni din materialele solide.

Pentru a elucida natura laserelor de attosecundă și pentru a aprecia atributele lor neconvenționale în comparație cu laserele convenționale, este imperativ să se exploreze clasificarea lor în „familie de lasere” mai largă. Clasificarea după lungimea de undă plasează laserele de attosecundă predominant în intervalul de frecvențe de raze X ultraviolete până la moi, ceea ce înseamnă lungimi de undă mult mai scurte, spre deosebire de laserele convenționale. În ceea ce privește modurile de ieșire, laserele de attosecundă se încadrează în categoria laserelor cu impulsuri, caracterizate prin duratele lor extrem de scurte ale impulsurilor. Pentru a face o analogie pentru claritate, se poate imagina laserele cu undă continuă asemănătoare cu o lanternă care emite un fascicul continuu de lumină, în timp ce laserele cu impulsuri seamănă cu o lumină stroboscopică, alternând rapid între perioadele de iluminare și întuneric. În esență, laserele de attosecundă prezintă un comportament pulsatoriu în iluminare și întuneric, totuși tranziția lor între cele două stări se desfășoară la o frecvență uimitoare, ajungând în domeniul attosecundelor.

O clasificare suplimentară în funcție de putere plasează laserele în paranteze de putere scăzută, putere medie și putere mare. Laserele de attosecundă ating o putere de vârf ridicată datorită duratelor extrem de scurte ale impulsurilor, rezultând o putere de vârf pronunțată (P) – definită ca intensitatea energiei pe unitatea de timp (P=W/t). Deși impulsurile laser individuale de attosecundă pot să nu posede o energie excepțional de mare (W), extinderea lor temporală abreviată (t) le conferă o putere de vârf ridicată.

În ceea ce privește domeniile de aplicare, laserele acoperă un spectru care cuprinde aplicații industriale, medicale și științifice. Laserele de attosecundă își găsesc nișa în principal în domeniul cercetării științifice, în special în explorarea fenomenelor cu evoluție rapidă din domeniile fizicii și chimiei, oferind o fereastră către procesele dinamice rapide ale lumii microcosmice.

Clasificarea după mediul laser delimitează laserele drept lasere cu gaz, lasere cu stare solidă, lasere lichide și lasere cu semiconductor. Generarea laserelor de attosecundă depinde de obicei de mediile laser cu gaz, valorificând efectele optice neliniare pentru a genera armonici de ordin înalt.

În concluzie, laserele attosecunde constituie o clasă unică de lasere cu puls scurt, care se disting prin duratele lor extraordinar de scurte ale impulsurilor, măsurate de obicei în attosecunde. Drept urmare, au devenit instrumente indispensabile pentru observarea și controlul proceselor dinamice ultrarapide ale electronilor din atomi, molecule și materiale solide.

Procesul elaborat de generare a laserului Attosecond

Tehnologia laser Attosecond se află în fruntea inovației științifice, oferind un set de condiții intrigant de riguros pentru generarea sa. Pentru a elucida complexitatea generarii laserului de attosecundă, începem cu o expunere concisă a principiilor sale de bază, urmată de metafore vii derivate din experiențele de zi cu zi. Cititorii care nu cunosc subtilitățile fizicii relevante nu trebuie să dispere, deoarece metaforele care urmează urmăresc să facă accesibilă fizica de bază a laserelor de attosecundă.

Procesul de generare a laserelor de attosecundă se bazează în primul rând pe tehnica cunoscută sub numele de High Harmonic Generation (HHG). În primul rând, un fascicul de impulsuri laser de femtosecundă de mare intensitate (10^-15 secunde) este strâns focalizat pe un material țintă gazos. Este de remarcat faptul că laserele femtosecunde, asemănătoare laserelor de attosecundă, au caracteristicile de a poseda durate scurte de impuls și putere de vârf ridicată. Sub influența câmpului laser intens, electronii din atomii de gaz sunt momentan eliberați din nucleele lor atomice, intrând tranzitoriu într-o stare de electroni liberi. Pe măsură ce acești electroni oscilează ca răspuns la câmpul laser, în cele din urmă se întorc și se recombină cu nucleele lor atomice părinte, creând noi stări de înaltă energie.

În timpul acestui proces, electronii se mișcă cu viteze extrem de mari, iar la recombinare cu nucleele atomice, ei eliberează energie suplimentară sub formă de emisii armonice mari, manifestându-se ca fotoni de înaltă energie.

Frecvențele acestor fotoni de înaltă energie nou generați sunt multipli întregi ai frecvenței laser originale, formând ceea ce se numește armonici de ordin înalt, unde „armonici” denotă frecvențe care sunt multipli integrali ai frecvenței originale. Pentru a obține lasere de attosecundă, devine necesar să se filtreze și să se concentreze aceste armonici de ordin înalt, selectând armonici specifice și concentrându-le într-un punct focal. Dacă se dorește, tehnicile de compresie a pulsului pot abrevia și mai mult durata pulsului, producând impulsuri ultra-scurte în intervalul attosecunde. Evident, generarea laserelor de attosecundă constituie un proces sofisticat și cu mai multe fațete, care necesită un grad ridicat de pricepere tehnică și echipamente specializate.

Pentru a demistifica acest proces complicat, oferim o paralelă metaforică bazată pe scenarii de zi cu zi:

Impulsuri laser femtosecunde de mare intensitate:

Imaginați-vă că deține o catapultă excepțional de puternică, capabilă să arunce instantaneu pietre la viteze colosale, asemănătoare cu rolul jucat de impulsurile laser de femtosecundă de mare intensitate.

Material gazos țintă:

Imaginează-ți un corp de apă liniștit care simbolizează materialul țintă gazos, unde fiecare picătură de apă reprezintă o mulțime de atomi de gaz. Actul de propulsare a pietrelor în acest corp de apă oglindește în mod analog impactul impulsurilor laser de femtosecundă de mare intensitate asupra materialului țintă gazos.

Mișcarea electronilor și recombinarea (tranziție numită fizic):

Când impulsurile laser de femtosecundă impactează atomii de gaz din materialul gazos țintă, un număr semnificativ de electroni exteriori sunt momentan excitați într-o stare în care se detașează de nucleele lor atomice respective, formând o stare asemănătoare plasmei. Pe măsură ce energia sistemului scade ulterior (deoarece impulsurile laser sunt în mod inerent pulsate, prezentând intervale de încetare), acești electroni exteriori se întorc în vecinătatea lor de nucleele atomice, eliberând fotoni de înaltă energie.

Generație de armonici înalte:

Imaginați-vă de fiecare dată când o picătură de apă cade înapoi la suprafața lacului, aceasta creează ondulații, la fel ca armonicile înalte în laserele de attosecundă. Aceste ondulații au frecvențe și amplitudini mai mari decât ondulațiile originale cauzate de impulsul laser primar de femtosecundă. În timpul procesului HHG, un fascicul laser puternic, asemănător cu aruncarea continuu a pietrelor, luminează o țintă de gaz, asemănătoare cu suprafața lacului. Acest câmp laser intens propulsează electronii din gaz, analog cu ondulațiile, departe de atomii lor părinți și apoi îi trage înapoi. De fiecare dată când un electron se întoarce la atom, acesta emite un nou fascicul laser cu o frecvență mai mare, asemănătoare cu modele de ondulare mai complicate.

Filtrare și focalizare:

Combinând toate aceste fascicule laser nou generate, rezultă un spectru de diferite culori (frecvențe sau lungimi de undă), dintre care unele constituie laserul de attosecundă. Pentru a izola anumite dimensiuni și frecvențe de ondulare, puteți utiliza un filtru specializat, asemănător cu selectarea ondulațiilor dorite și puteți utiliza o lupă pentru a le concentra pe o anumită zonă.

Compresia pulsului (dacă este necesar):

Dacă urmăriți să propagați ondulațiile mai rapid și mai scurt, puteți accelera propagarea acestora folosind un dispozitiv specializat, reducând timpul de viață al fiecărei ondulații. Generarea laserelor de attosecundă implică o interacțiune complexă de procese. Cu toate acestea, atunci când este defalcat și vizualizat, devine mai ușor de înțeles.