Одна аттосекунда (as) равна 1×10-18 секундам. Аттосекунда по отношению к одной секунде равна одной секунде возраста Вселенной. Это чрезвычайно маленький отрезок времени. Нобелевская премия по физике в этом году присуждена трем ученым — Пьеру Агостини, Ференцу Краушу и Анне Л’Юилье, чьи работы способствовали созданию импульсов света, которые измеряются в аттосекундах.
Почему такие короткие импульсы света полезны? Потому что они позволяют проводить эксперименты, которые фиксируют физическое состояние процессов, протекающих чрезвычайно быстро. В частности, это первые световые импульсы, скорость которых позволяет получать информацию о состоянии электронов в атомах, молекулах и конденсированных средах.
Энн Л’Юилье, всего лишь пятая женщина, получившая Нобелевскую премию по физике, в 1987 году обнаружила, что, когда она пропускает инфракрасный свет через инертный газ, он испускает обертоны, которые представляют собой другие частоты света. Свет придавал бы дополнительную энергию атомам газа, некоторые из которых затем излучали бы эту энергию в виде дополнительных фотонов света. Это была основополагающая работа, которая сделала возможными последующие открытия Агостини и Крауша. По сути, эти обертоны были гармоническими частотами света, кратными исходной частоте света.
Позже, в 1991 году, Л’Юилье и ее коллеги опубликовали последующую работу, объясняющую плато, наблюдаемое в гармонических импульсах света. Они обнаружили, что плато генерации высоких гармоник (HHG) является явлением, связанным с одним электроном. В то время они предположили, что теоретически это явление можно использовать для генерации очень коротких импульсов света.
В 2001 году Крауш и Ференц в ходе отдельных экспериментов смогли развить эту работу и получить аттосекундные световые импульсы. Крауш смог генерировать импульсы продолжительностью 650 аттосекунд, а Ференц — 250 аттосекунд. Вот некоторые технические подробности:
В Париж-Сакле, в том же исследовательском центре, где был обнаружен ртуть [4], группа Agostini создала серию импульсов длительностью 250 as [23], измеренных с помощью RABBIT metrology с использованием аргона в качестве целевого газа. В Вене группа Krausz создала изолированные импульсы длительностью 650 as [24]: для этого они использовали спектральную фильтрацию для выбора соответствующих гармоник с помощью многослойного XUV-зеркала. Затем они измерили спектр кинетической энергии 4р-фотоэлектронов, испускаемых атомами криптона при одновременном облучении фотонами с энергией 90 эВ и световыми импульсами на длине волны 750 нм от управляющего лазера, генерирующего гармоническое излучение (полосы).
Эта работа позволяет физикам исследовать физические явления, которые ранее считались “мгновенными”. В том числе фотоэлектрический эффект, впервые описанный Эйнштейном, за который он также получил Нобелевскую премию. Когда электроны поглощают достаточное количество света, чтобы превысить их энергию связи, они будут излучаться с той энергией, которую они поглотили, за вычетом энергии связи. Этот эффект лежит в основе фотоэлектрических солнечных элементов – солнечный свет заставляет электроны высвобождаться, генерируя электрический ток.
До работы этих физиков момент высвобождения электрона при фотоэффекте невозможно было изучить – он происходил слишком быстро. Но теперь можно измерить время, необходимое электрону для того, чтобы покинуть определенную оболочку в своем атоме. Например, группа Крауша обнаружила, что “2p–электрон покидает атом неона медленнее, чем 2s-электрон, на 21 час”.
Каково практическое применение этих открытий? Для того, чтобы работа была важной, не обязательно, чтобы она была таковой. Это фундаментальная наука, позволяющая нам изучать устройство Вселенной в невероятно малых масштабах. История показала, что в конечном итоге такие знания, как правило, оказываются невероятно полезными, и часто такими способами, которые трудно предсказать. Но в материаловедении уже проводятся практические исследования, по крайней мере, с использованием этих методов. Например, “Ожидается, что аттосекундная спектроскопия твердых тел выявит множество сложных электронных взаимодействий, например, процессы, которые включают перенос заряда и эффекты экранирования заряда, создание заряда изображения и рассеяние электрон–электрон, а также коллективное движение электронов”.
В аттосекундном масштабе материя, по сути, остается неподвижной, за исключением электронов. Это позволяет изучать динамику электронов. В мире, где электроника становится все более популярной, это может оказаться полезным. Физики и материаловеды в настоящее время углубляются до атомного уровня, создавая двумерную материю, исследуя первопричины сверхпроводимости и изменяя структуру вещества на наноуровне с целью создания специфических физических свойств. Аттосекундная физика — это мир, в котором происходят эти явления.
