Электроны, движущиеся в молекуле, могут показаться не сюжетом интересного фильма. Но группа учёных получит Нобелевскую премию по физике 2023 года за исследования, которые, по сути, отслеживают движение электронов с помощью сверхбыстрых лазерных импульсов, подобно съёмке кадров на видеокамеру.
Однако электроны, которые частично составляют атомы и образуют клей, связывающий атомы в молекулах, движутся не в том же масштабе времени, что и люди. Они намного быстрее. Итак, инструменты, которые физики вроде меня используют для захвата их движения, должны быть очень быстрыми — быстрыми в аттосекундном масштабе.
Одна аттосекунда равна одной миллиардной миллиардной секунды (10-18 секунды) – отношение одной аттосекунды к одной секунде такое же, как отношение одной секунды к возрасту Вселенной.
Аттосекундные импульсы
В фотографии для получения четких изображений быстрых объектов требуется камера с быстрым затвором или быстрой вспышкой света для освещения объекта. Сделав несколько фотографий подряд, можно четко определить движение объекта.
Временная шкала затвора или стробоскопа должна совпадать с временной шкалой движения объекта – в противном случае изображение будет размытым. Эта же идея применяется, когда исследователи пытаются представить сверхбыстрое движение электронов. Для захвата движения в аттосекундном масштабе требуется аттосекундный строб. Лауреаты Нобелевской премии по физике 2023 года внесли основополагающий вклад в создание таких аттосекундных лазерных стробов, которые представляют собой очень короткие импульсы, генерируемые с помощью мощного лазера.
Представьте себе, что электроны в атоме ограничены внутри атома стенкой. Когда фемтосекундный (10-15 секунд) лазерный импульс мощного фемтосекундного лазера направляется на атомы благородного газа, такого как аргон, сильное электрическое поле в импульсе опускает стенку.
Это возможно, поскольку электрическое поле лазера по силе сравнимо с электрическим полем ядра атома. Электроны видят эту опущенную стену и проходят сквозь нее в причудливом процессе, называемом квантовым туннелированием.
Как только электроны покидают атом, электрическое поле лазера захватывает их, ускоряет до высоких энергий и отбрасывает обратно в родительские атомы. Этот процесс повторного столкновения приводит к созданию аттосекундных всплесков лазерного света.
Аттосекундные фильмы
Так как же физики используют эти ультракороткие импульсы для создания фильмов об электронах в аттосекундном масштабе?
Обычные фильмы снимаются по одной сцене, причем каждый момент фиксируется видеокамерами в виде кадра. Затем сцены соединяются вместе, образуя целостный фильм.
В аттосекундных фильмах электронов используется аналогичная идея. Аттосекундные импульсы действуют как стробоскопы, освещая электроны, чтобы исследователи могли снова и снова снимать их изображения по мере их движения – как в сцене из фильма. Этот метод называется спектроскопией накачки-зонда.
Однако визуализация движения электронов непосредственно внутри атомов в настоящее время является сложной задачей, хотя исследователи разрабатывают несколько подходов с использованием современных микроскопов, чтобы сделать возможным прямую визуализацию.
Обычно в спектроскопии накачки-зонда импульс «накачки» заставляет электрон двигаться и запускает фильм. Затем «зондирующий» импульс освещает электрон в разное время после прихода импульса накачки, поэтому его можно захватить «камерой», например фотоэлектронным спектрометром.
Видео: Насосно-зондовая спектроскопия.
Информация о движении электронов или «изображение» фиксируется с помощью сложных методов. Например, фотоэлектронный спектрометр определяет, сколько электронов было удалено из атома зондирующим импульсом, или фотонный спектрометр измеряет, какая часть зондирующего импульса была поглощена атомом.
Затем различные «сцены» соединяются вместе, чтобы создать аттосекундные фильмы электронов. Эти фильмы помогают с помощью сложных теоретических моделей дать фундаментальное представление об аттосекундном электронном поведении.
Например, исследователи измерили расположение электрического заряда в органических молекулах в разное время в аттосекундных масштабах времени. Это может позволить им контролировать электрические токи на молекулярном уровне.
Будущие приложения
В большинстве научных исследований фундаментальное понимание процесса приводит к контролю над ним, а такой контроль ведет к появлению новых технологий. Исследования, движимые любопытством, могут привести к невообразимым приложениям в будущем, и аттосекундная наука, вероятно, не является исключением.
Понимание и контроль поведения электронов в аттосекундном масштабе может позволить исследователям использовать лазеры для управления химическими реакциями, чего они не могут сделать другими способами. Эта способность может помочь создать новые молекулы, которые невозможно создать с помощью существующих химических методов.
Возможность изменять поведение электронов может привести к сверхбыстрым переключениям. Исследователи потенциально могли бы превратить электрический изолятор в проводник в аттосекундном масштабе, чтобы увеличить скорость электроники. Электроника в настоящее время обрабатывает информацию в пикосекундном масштабе, или 10-12 секунды.
Коротковолновые аттосекундные импульсы, которые обычно находятся в режиме крайнего ультрафиолета или EUV, могут найти применение в EUV-литографии в полупроводниковой промышленности. В EUV-литографии используется лазерный свет с очень короткой длиной волны для травления крошечных схем на электронных чипах.
В недавнем прошлом лазеры на свободных электронах, такие как источник когерентного света Linac в Национальной ускорительной лаборатории SLAC в США, стали источником яркого рентгеновского лазерного света. Теперь они генерируют импульсы аттосекундного масштаба, открывая множество возможностей для исследований с использованием аттосекундного рентгеновского излучения.
Также были предложены идеи генерации лазерных импульсов зептосекундного (10-21 секунды) масштаба. Ученые могли бы использовать эти импульсы, которые даже быстрее, чем аттосекундные импульсы, для изучения движения частиц, таких как протоны, внутри ядра.
Поскольку многочисленные исследовательские группы активно работают над интересными проблемами аттосекундной науки, а Нобелевская премия по физике 2023 года признает ее важность, аттосекундную науку ждет долгое и блестящее будущее.
No comments:
Post a Comment