Tegoroczną Nagrodę Nobla z dziedziny fizyki przyznano Pierre'owi Agostinowi, Ferencowi Krauszowi i Anne L'Huillier za opracowanie metod eksperymentalnych, które generują attosekundowe impulsy światła przeznaczone do badania dynamiki elektronów w materii. O komentarz w kwestii decyzji Królewskiej Szwedzkiej Akademii Nauk poprosiliśmy prof. Jakuba Zakrzewskiego z Zakładu Optyki Atomowej oraz prof. Jakuba Prauznera-Bechcickiego z Zakładu Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ.

Prof. dr hab. Jakub Zakrzewski (Zakład Optyki Atomowej):

Nagrodę Nobla z fizyki w tym roku otrzymali Pierre Agostini, Ferenz Krausz i Anne l’Huillier za „metody eksperymentalne, które pozwalają generować attosekundowe impulsy światła do badań dynamiki elektronów w materii”.

"(...) ruch elektronów w materii jest bardzo szybki. Jeśli chcemy taką dynamikę obserwować (a nie tylko badać jej efekty aposteriori) potrzebujemy takich właśnie impulsów, które są stosowane do badań w zakresie fizyki atomowej, badań dynamiki zderzeń molekularnych czy prostych procesów biologicznych.

Jak widać, jest to kolejna z nagród Nobla przyznanych za stworzenie nowych narzędzi badawczych, jakimi są te attosekundowe impulsy. Czym one są? To impulsy pola elektromagnetycznego zwykle w zakresie wysokich częstości, bliskich promieniowaniu rentgenowskiemu, o czasie trwania poniżej jednej femtosekundy czyli 1/1015 sekundy. Predkość światła jest olbrzymia, ale taki 1fm impuls ma rozmiar przestrzenny 0.3 mikrometra, a attosekundowe impulsy są jeszcze krótsze. Anne l’Huillier kierowała eksperymentem w Saclay pod Paryżem, w którym świecąc na atomy silnym światłem laserowym generowano emisję promieniowania o znacznie większych częstotliwościach, tzw. wyższe harmoniki. Okazało się, że są one emitowane w bardzo krótkich kilkuset attosekundowych impulsach. Inny sposób generacji takich impulsów, z użyciem specjalnych luster kontrolujących natężenie ale i fazę fali elektromagnetycznej pokazał Ferenc Krausz z Instytutu Maxa Plancka w Monachium. Pierre Agostini z kolei zaproponował m.in. technikę RABBITT, pozwalającą, poprzez zastosowanie interferencji, na pomiar amplitudy i fazy takich ultrakrótkich impulsów. Do czego one mogą służyć? Podstawą naszej wiedzy jest obserwacja. By zrozumieć ewolucję w czasie, trzeba ją obserwować w czasie rzeczywistym, utrwalając np. na zdjęciach. Aby zdjęcie było „nieporuszone” czas otwarcia migawki musi być wystarczająco krótki, by obserwowany przedmiot był praktycznie „nieruchomy”. Dopiero wówczas kolejne zdjęcia można ułożyć w film i np. odtwarzać w zwolnionym tempie.

Okazuje się, że ruch elektronów w materii jest bardzo szybki. Jeśli chcemy taką dynamikę obserwować (a nie tylko badać jej efekty aposteriori) potrzebujemy takich właśnie impulsów, które są stosowane do badań w zakresie fizyki atomowej, badań dynamiki zderzeń molekularnych czy prostych procesów biologicznych.

Co ciekawe, dzisiejsza nagroda Nobla ma silny polski akcent. Twórcą teorii generacji harmonik i powstawania tą drogą attosekundowych impulsów jest polski fizyk Maciej Lewenstein, obecnie pracujący w Instytucie Fotonicznym pod Barceloną, a gdy tworzył podstawy teoretyczne tej fizyki pracował w Saclay razem z Anne l’Huillier. Ostatnio zaś jako zespół z UJ mieliśmy przyjemność pracować razem z nim w projekcie Symfonia NCN o tytule „Attosekundy w biologii, chemii i fizyce – nowe eksperymentalne i teoretyczne oblicze” kierowanym przez prof. Roberta Moszyńskiego, chemika z UW.

Dr hab. Jakub Prauzner-Bechcicki, prof. UJ (Zakład Fizyki Nanostruktur i Nanotechnologii):

Dnia 3 października 2023 roku Komitet Noblowski ogłosił nazwiska laureatów Nagrody Nobla z fizyki za rok 2023, są nimi: Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier. Jak zostało napisane w uzasadnieniu, nagrodę przyznano za wytwarzanie attosekundowych impulsów światła pozwalających na badanie dynamiki elektronów w materii. Cóż to jednak znaczy? Przedrostek atto- oznacza milionową część milionowej części, milionowej części czegoś (10-6×10-6×10-6), w tym konkretnym przypadku sekundy. Jest to tak mało, że z naszej, ludzkiej perspektywy 1 attosekunda (as) to jest natychmiast. Jedna attosekunda do jednej sekundy ma się mniej więcej tak jak jedna sekunda do wieku Wszechświata! W ciągu jednej attosekundy światło pokonuje dystans porównywalny z typowymi odległościami między atomami w sieci krystalicznej czy typowymi długościami wiązań chemicznych w molekułach. By przebyć dystans kilku metrów, światło będzie podróżować dziesiątki miliardów attosekund – w bezpośredniej obserwacji tego nawet nie zauważymy. Po co nam zatem tak krótkie impulsy i jak można je wytworzyć?

"W ciągu jednej attosekundy światło pokonuje dystans porównywalny z typowymi odległościami między atomami w sieci krystalicznej czy typowymi długościami wiązań chemicznych w molekułach."

Zacznijmy od pytania „po co?”. Od dawna zastanawiano się, czy w trakcie biegu jest taki moment, kiedy koń odrywa wszystkie nogi od ziemi. W drugiej połowie XIX w. Edward Muybridge opublikował serię zdjęć pokazujących konia w galopie, które rozwiały wątpliwości. Udało mu się je uzyskać dzięki zastosowaniu bardzo szybkiej migawki. Chcąc obserwować procesy szybkie, musimy je próbkować („robić zdjęcia”) jeszcze szybciej. Co dzieje się tak szybko, że potrzeba nam attosekundowej migawki? Tak szybko są wyrywane elektrony z atomów w procesie jonizacji czy wybijane elektrony z metalu w procesie fotoelektrycznym (notabene, kiedy Einstein w 1905 roku wyjaśniał teoretyczne podstawy procesu fotoelektrycznego, uważano, że proces ten następuje natychmiast po absorbcji światła!), można podglądać, jak ładunki (elektrony) migrują w badanym materiale. Potencjalne zastosowania sięgają od elektroniki do medycyny.

Jak zatem otrzymać tak krótkie błyski światła? Początki prac sięgają lat osiemdziesiątych XX w., kiedy to wiele grup badawczych eksperymentowało z oddziaływaniem intensywnych impulsów laserowych z atomami – badano między innymi zjawiska wielokrotnej jonizacji, tzn. procesu, w którym z atomu wyrywany jest nie jeden, ale wiele elektronów. W 1988 roku grupa, w której pracowała Anne L’Huillier, zaobserwowała, że jeśli poświecić impulsowym laserem podczerwonym (1064 nm) na argon w fazie gazowej w odpowiedzi wyświecone zostaje światło o różnych długościach fali, których wartości mogą sięgać nawet ekstremalnego ultrafioletu (32,2 nm)! W kolejnych latach L’Huillier poświęciła wiele czasu na dalsze badanie i zrozumienie zjawiska, które nazwano generacją wysokich harmonicznych. Jego akustycznym analogiem jest wytwarzanie alikwotów, z tym że w przypadku światła mamy do czynienia nie tyle z czwartą czy piątą harmoniczną, ile z dziesiątą, dwudziestą i trzydziestą. Niemały wkład w zrozumienie generacji wysokich harmonicznych miał polski fizyk Maciej Lewenstein. Trzynaście lat później po pierwszym eksperymencie, w niezależnych badaniach panowie Pierre Agostini i Ferenc Krausz pokazali jak z tego światła pełnego wysokich harmonicznych, wyizolować ultrakrótkie impulsy. Dokładniej Agostini ze swoją grupą pokazał jak produkować serię kilku impulsów, z których każdy trwał 250 as, a Krausz ze swoim zespołem wyizolował pojedynczy impuls o czasie trwania 650 as. Drzwi do świata ekstremalnie szybkich procesów zostały otwarte!

_____________

O tegorocznej decyzji noblowskiej rozmawiają także prof. dr hab. Krzysztof Dzierżęga z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UJ oraz prof. dr hab. Marek Stankiewicz z Narodowego Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS.