Večer 3. října 2023 byla v významném oznámení odhalena Nobelova cena za fyziku za rok 2023, která oceňuje mimořádný přínos tří vědců, kteří sehráli klíčovou roli jako průkopníci v oblasti attosekundové laserové technologie.

Termín „attosekundový laser“ odvozuje svůj název od neuvěřitelně krátkého časového rámce, ve kterém pracuje, konkrétně v řádu attosekund, což odpovídá 10^-18 sekundám. Abychom pochopili hluboký význam této technologie, je zásadní základní pochopení toho, co attosekunda znamená. Attosekunda představuje extrémně minutovou jednotku času, která v širším kontextu jedné sekundy představuje jednu miliardtinu miliardtiny sekundy. Pro srovnání, pokud bychom měli přirovnat sekundu k tyčící se hoře, attosekunda by se podobala jedinému zrnku písku usazenému na jejím úpatí. V tomto prchavém časovém intervalu dokáže i světlo sotva urazit vzdálenost odpovídající velikosti jednotlivého atomu. Díky využití attosekundových laserů vědci získávají bezprecedentní schopnost zkoumat a manipulovat se složitou dynamikou elektronů v atomových strukturách, podobně jako zpomalené přehrávání snímku po snímku v filmové sekvenci, a tím se ponořují do jejich souhry.

Attosekundové laserypředstavují vyvrcholení rozsáhlého výzkumu a soustředěného úsilí vědců, kteří využili principy nelineární optiky k vytvoření ultrarychlých laserů. Jejich příchod nám poskytl inovativní výhodu 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 nezbytné prozkoumat jejich kategorizaci v rámci širší „laserové rodiny“. Klasifikace podle vlnové délky řadí attosekundové lasery převážně do rozsahu ultrafialového až měkkého rentgenového záření, což znamená jejich výrazně kratší vlnové délky ve srovnání s konvenčními lasery. Z hlediska výstupních režimů spadají attosekundové lasery do kategorie pulzních laserů, které se vyznačují mimořádně krátkou dobou trvání pulzů. Pro lepší přehlednost si lze lasery s kontinuální vlnou představit jako baterku vyzařující kontinuální paprsek světla, zatímco pulzní lasery připomínají stroboskopické světlo, které se rychle střídá mezi obdobími osvětlení a tmy. V podstatě attosekundové lasery vykazují pulzující chování v rámci osvětlení a tmy, ale jejich přechod mezi těmito dvěma stavy probíhá s ohromující frekvencí a dosahuje úrovně attosekund.

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

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

Kategorizace podle laserového média rozděluje lasery na plynové lasery, lasery v pevné fázi, kapalinové lasery a polovodičové lasery. Generování attosekundových laserů obvykle závisí na plynovém laserovém médiu a využívá nelineárních optických efektů k vytváření vyšších harmonických.

Stručně řečeno, attosekundové lasery představují unikátní třídu laserů s krátkými pulzy, které se vyznačují mimořádně krátkou dobou trvání pulzů, obvykle měřenou v attosekundách. Díky tomu se staly nepostradatelnými nástroji pro pozorování a řízení ultrarychlých dynamických procesů elektronů v atomech, molekulách a pevných materiálech.

Propracovaný proces generování attosekundového laseru

Technologie attosekundových laserů stojí v popředí vědeckých inovací a pyšní se zajímavě přísnými podmínkami pro svou generaci. Abychom objasnili složitosti generování attosekundových laserů, začneme stručným výkladem jejích základních principů, po kterém následují živé metafory odvozené z každodenních zkušeností. Čtenáři, kteří nejsou obeznámeni se složitostmi příslušné fyziky, nemusí zoufat, protože následující metafory si kladou za cíl zpřístupnit základní fyziku attosekundových laserů.

Proces generování attosekundových laserů se primárně opírá o techniku ​​známou jako generace vysokých harmonických (HHG). Za prvé, paprsek vysoce intenzivních femtosekundových (10^-15 sekund) laserových pulzů je pevně zaostřen na plynný cílový materiál. Stojí za zmínku, že femtosekundové lasery, podobné attosekundovým laserům, sdílejí charakteristiky krátké doby trvání pulzů a vysokého špičkového výkonu. Pod vlivem intenzivního laserového pole se elektrony v atomech plynu na okamžik uvolní ze svých atomových jader a přechodně se dostanou do stavu volných elektronů. Jak tyto elektrony oscilují v reakci na laserové pole, nakonec se vrátí do svých mateřských atomových jader a rekombinují se s nimi, čímž vytvářejí nové vysokoenergetické stavy.

Během tohoto procesu se elektrony pohybují extrémně vysokými rychlostmi a při rekombinaci s atomovými jádry uvolňují dodatečnou energii ve formě emisí vysokých harmonických, které se projevují jako fotony s vysokou energií.

Frekvence těchto nově generovaných fotonů s vysokou energií jsou celočíselnými násobky původní laserové frekvence a tvoří takzvané harmonické vyššího řádu, kde „harmonické“ označují frekvence, které jsou celočíselnými násobky původní frekvence. Pro dosažení attosekundových laserů je nutné tyto harmonické vyššího řádu filtrovat a zaostřit, vybrat specifické harmonické a soustředit je do ohniska. V případě potřeby lze techniky komprese pulzů dále zkrátit dobu trvání pulzu, čímž se získají ultrakrátké pulzy v attosekundovém rozsahu. Generování attosekundových laserů je evidentně sofistikovaný a mnohostranný proces, který vyžaduje vysoký stupeň technické zdatnosti a specializované vybavení.

Abychom tento složitý proces demystifikovali, nabízíme metaforickou paralelu zakotvenou v každodenních situacích:

Vysoce intenzivní femtosekundové laserové pulsy:

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

Plynný cílový materiál:

Představte si klidnou vodní plochu, která symbolizuje plynný cílový materiál, kde každá kapka vody představuje nespočet atomů plynu. Akt vrhání kamenů do této vodní plochy analogicky odráží dopad vysoce intenzivních femtosekundových laserových pulzů na plynný cílový materiál.

Pohyb a rekombinace elektronů (fyzikálně nazývaný přechod):

Když femtosekundové laserové pulzy dopadnou na atomy plynu v plynném cílovém materiálu, značný počet vnějších elektronů je na okamžik excitován do stavu, kdy se oddělí od svých příslušných atomových jader a vytvoří stav podobný plazmatu. Jak energie systému následně klesá (protože laserové pulzy jsou ze své podstaty pulzní a vyznačují se intervaly přerušení), tyto vnější elektrony se vracejí do blízkosti atomových jader a uvolňují fotony s vysokou energií.

Generování vysokých harmonických:

Představte si, že pokaždé, když kapka vody dopadne zpět na hladinu jezera, vytvoří vlnky, podobně jako vysoké harmonické v attosekundových laserech. Tyto vlnky mají vyšší frekvence a amplitudy než původní vlnky způsobené primárním femtosekundovým laserovým pulsem. Během procesu HHG osvětluje silný laserový paprsek, podobný neustále házeným kamenům, plynný cíl, připomínající hladinu jezera. Toto intenzivní laserové pole žene elektrony v plynu, analogicky k vlnkám, pryč od jejich mateřských atomů a poté je přitahuje zpět. Pokaždé, když se elektron vrátí k atomu, vyzařuje nový laserový paprsek s vyšší frekvencí, podobný složitějším vzorům vlnek.

Filtrování a zaostřování:

Kombinací všech těchto nově generovaných laserových paprsků vzniká spektrum různých barev (frekvencí nebo vlnových délek), z nichž některé tvoří attosekundový laser. Pro izolaci specifických velikostí a frekvencí vlnění můžete použít specializovaný filtr, podobný výběru požadovaných vlnění, a pomocí lupy je zaostřit na určitou oblast.

Komprese pulzů (pokud je to nutné):

Pokud chcete šířit vlnky rychleji a kratší, můžete jejich šíření urychlit pomocí specializovaného zařízení, čímž se zkrátí doba trvání jednotlivých vlnek. Generování attosekundových laserů zahrnuje složitou souhru procesů. Pokud si je však rozložíme a vizualizujeme, stane se srozumitelnějším.