Ve významném oznámení večer 3. října 2023 byla odhalena Nobelova cena za fyziku za rok 2023, která ocenila mimořádný přínos tří vědců, kteří sehráli klíčovou roli jako průkopníci v oblasti technologie attosekundového laseru.

Termín "attosekundový laser" odvozuje svůj název od neuvěřitelně krátkého časového měřítka, na kterém pracuje, konkrétně v řádu attosekund, což odpovídá 10^-18 sekundám. Abychom pochopili hluboký význam této technologie, zásadní je základní pochopení toho, co attosekunda znamená. Attosekunda představuje mimořádně minutovou časovou jednotku, která představuje jednu miliardtinu miliardtiny sekundy v širším kontextu jediné sekundy. Abychom to uvedli do perspektivy, kdybychom přirovnali sekundu k tyčící se hoře, byla by attosekunda podobná jedinému zrnku písku usazenému na úpatí hory. V tomto pomíjivém časovém intervalu může i světlo stěží překonat vzdálenost odpovídající velikosti jednotlivého atomu. Prostřednictvím využití attosekundových laserů získávají vědci bezprecedentní schopnost zkoumat a manipulovat se složitou dynamikou elektronů v atomových strukturách, podobně jako zpomalené přehrávání snímek po snímku ve filmové sekvenci, čímž se ponoří do jejich souhry.

Attosekundové laserypředstavují vyvrcholení rozsáhlého výzkumu a společného úsilí vědců, kteří využili principy nelineární optiky k vytvoření ultrarychlých laserů. Jejich příchod nám poskytl inovativní úhel pohledu pro pozorování a zkoumání dynamických procesů probíhajících v atomech, molekulách a dokonce i elektronech v pevných materiálech.

Abychom objasnili podstatu attosekundových laserů a ocenili jejich nekonvenční vlastnosti ve srovnání s konvenčními lasery, je nutné prozkoumat jejich kategorizaci v rámci širší „rodiny laserů“. Klasifikace podle vlnové délky řadí attosekundové lasery převážně do rozsahu ultrafialových až měkkých rentgenových frekvencí, což znamená jejich výrazně kratší vlnové délky na rozdíl od konvenčních laserů. Z hlediska výstupních režimů spadají attosekundové lasery do kategorie pulzních laserů, které se vyznačují mimořádně krátkou dobou trvání pulzu. Abychom nakreslili analogii pro jasnost, lze si představit lasery se spojitými vlnami jako baterku vyzařující nepřetržitý paprsek světla, zatímco pulzní lasery připomínají stroboskopické světlo, které se rychle střídá mezi obdobími osvětlení a tmy. Attosekundové lasery v podstatě vykazují pulzující chování v rámci osvětlení a tmy, přesto jejich přechod mezi těmito dvěma stavy probíhá s úžasnou frekvencí a dosahuje říše attosekund.

Další kategorizace podle výkonu řadí lasery do skupin s nízkým výkonem, středním výkonem a vysokým výkonem. Attosekundové lasery dosahují vysokého špičkového výkonu díky extrémně krátké době trvání pulsů, což má za následek výrazný špičkový výkon (P) – definovaný jako intenzita energie za jednotku času (P=W/t). Přestože jednotlivé attosekundové laserové pulsy nemusí mít výjimečně velkou energii (W), jejich zkrácený časový rozsah (t) jim dodává zvýšený špičkový výkon.

Pokud jde o aplikační oblasti, lasery pokrývají spektrum zahrnující průmyslové, lékařské a vědecké aplikace. Attosekundové lasery nacházejí své místo především v oblasti vědeckého výzkumu, zejména při zkoumání rychle se vyvíjejících jevů v oblastech fyziky a chemie, které nabízejí okno do rychlých dynamických procesů mikrokosmického světa.

Kategorizace podle laserového média vymezuje lasery jako plynové lasery, pevnolátkové lasery, kapalinové lasery a polovodičové lasery. Generování attosekundových laserů typicky závisí na plynových laserových médiích, využívajících nelineární optické efekty pro vytváření vyšších harmonických.

Stručně řečeno, attosekundové lasery představují jedinečnou třídu laserů s krátkým pulsem, které se vyznačují mimořádně krátkou dobou trvání pulsu, typicky měřenou v attosekundách. V důsledku toho se staly nepostradatelnými nástroji pro pozorování a řízení ultrarychlých dynamických procesů elektronů v atomech, molekulách a pevných materiálech.

Propracovaný proces generování attosekundového laseru

Technologie attosekundového laseru stojí v popředí vědeckých inovací a může se pochlubit neuvěřitelně přísnými podmínkami pro svou generaci. Abychom objasnili složitost generace attosekundového laseru, začneme stručným výkladem jejích základních principů, po kterém následují živé metafory odvozené z každodenních zkušeností. Čtenáři, kteří nejsou zběhlí ve spletitosti příslušné fyziky, nemusí zoufat, protože následující metafory mají za cíl zpřístupnit základní fyziku attosekundových laserů.

Proces generování attosekundových laserů primárně spoléhá na techniku ​​známou jako High Harmonic Generation (HHG). Za prvé, paprsek vysoce intenzivních femtosekundových (10^-15 sekund) laserových pulsů je těsně zaostřen na plynný terčový materiál. Stojí za zmínku, že femtosekundové lasery, podobné attosekundovým laserům, sdílejí vlastnosti krátké doby trvání pulsu a vysokého špičkového výkonu. Pod vlivem intenzivního laserového pole se elektrony v atomech plynu na okamžik uvolní z jejich atomových jader a přechodně se dostanou do stavu volných elektronů. Jak tyto elektrony oscilují v reakci na laserové pole, nakonec se vracejí a rekombinují se se svými mateřskými atomovými jádry a vytvářejí nové vysokoenergetické stavy.

Během tohoto procesu se elektrony pohybují extrémně vysokou rychlostí a po rekombinaci s atomovými jádry uvolňují další energii ve formě vysokých harmonických emisí, které se projevují jako vysokoenergetické fotony.

Frekvence těchto nově generovaných vysokoenergetických fotonů jsou celočíselné násobky původní frekvence laseru a tvoří to, co se nazývá harmonické vyššího řádu, kde „harmonické“ označují frekvence, které jsou celočíselnými násobky původní frekvence. K dosažení atosekundových laserů je nutné filtrovat a zaostřovat tyto harmonické vyššího řádu, vybírat specifické harmonické a koncentrovat je do ohniska. V případě potřeby mohou techniky komprese pulzu dále zkrátit dobu trvání pulzu, čímž se získají ultrakrátké pulzy v rozsahu attosekund. Je zřejmé, že generace attosekundových laserů představuje sofistikovaný a mnohostranný proces, který vyžaduje vysoký stupeň technické zdatnosti a specializované vybavení.

Abychom demystifikovali tento složitý proces, nabízíme metaforickou paralelu založenou na každodenních scénářích:

Vysoce intenzivní pulsy femtosekundového laseru:

Představte si, že máte výjimečně silný katapult schopný okamžitě vrhat kameny kolosální rychlostí, podobnou roli, kterou hrají vysoce intenzivní femtosekundové laserové pulsy.

Plynný cílový materiál:

Představte si klidnou vodní hladinu, která symbolizuje plynný cílový materiál, kde každá kapka vody představuje nesčetné množství atomů plynu. Akt vhánění kamenů do této vodní plochy analogicky odráží dopad vysoce intenzivních femtosekundových laserových pulsů na plynný materiál terče.

Pohyb elektronů a rekombinace (fyzikálně nazývaný přechod):

Když pulsy femtosekundového laseru dopadnou na atomy plynu v materiálu plynného terče, značný počet vnějších elektronů je na okamžik excitován do stavu, kdy se oddělí od příslušných atomových jader a vytvoří stav podobný plazmatu. Jak se energie systému následně zmenšuje (protože laserové pulsy jsou ze své podstaty pulzující a vykazují intervaly zastavení), tyto vnější elektrony se vracejí do blízkosti atomových jader a uvolňují fotony s vysokou energií.

Vysoká harmonická generace:

Představte si, že pokaždé, když kapka vody spadne zpět na hladinu jezera, vytvoří vlnky, podobně jako vysoké harmonické v attosekundových laserech. Tato vlnění mají vyšší frekvence a amplitudy než původní vlnění způsobené primárním pulzem femtosekundového laseru. Během procesu HHG silný laserový paprsek, podobný neustálému házení kamenů, osvětluje plynový terč připomínající hladinu jezera. Toto intenzivní laserové pole pohání elektrony v plynu, analogicky k vlnění, pryč od jejich mateřských atomů a pak je stahuje zpět. Pokaždé, když se elektron vrátí k atomu, vyšle nový laserový paprsek s vyšší frekvencí, podobný složitějším vzorům vlnění.

Filtrování a zaostřování:

Kombinací všech těchto nově generovaných laserových paprsků vzniká spektrum různých barev (frekvencí nebo vlnových délek), z nichž některé tvoří attosekundový laser. Chcete-li izolovat konkrétní velikosti a frekvence vlnění, můžete použít specializovaný filtr, podobný výběru požadovaných vlnek, a použít lupu k jejich zaostření na konkrétní oblast.

Pulzní komprese (pokud je to nutné):

Pokud se snažíte šířit vlnění rychleji a kratší dobu, můžete jejich šíření urychlit pomocí specializovaného zařízení, čímž zkrátíte dobu trvání každého vlnění. Generování attosekundových laserů zahrnuje komplexní souhru procesů. Když je však rozebrán a vizualizován, stane se srozumitelnější.