fot. Norbert Kowalczyk | Unsplash
Nagroda Nobla w dziedzinie fizyki (2023)
Pierre Agostini, Ferenc Krausz i Anne L’Huillier
We wtorek 3 października ogłoszono troje laureatów Nagrody Nobla w dziedzinie fizyki: Francuza Pierre’a Agostiniego, Węgra Ferenca Krausza oraz Francuzkę Anne L’Huillier. Otrzymali ją „za metody eksperymentalne generujące attosekundowe impulsy światła do badania dynamiki elektronów w materii”.
Dr hab. Paweł Zajdel, prof. UŚ z Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych wyjaśnia, na czym dokładnie polegały prace wyróżnionych fizyków i opracowane przez nich metody oraz wymienia kolejne perspektywy badawcze.
| dr hab. Paweł Zajdel, prof. UŚ |
Tegoroczną Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki przyznano w równych częściach Anne L’Huillier (piątej laureatce w dziedzinie fizyki), Pierre’owi Agostiniemu i Ferencowi Krauszowi „za metody eksperymentalne generujące attosekundowe impulsy światła do badania dynamiki elektronów w materii”.
Podczas ogłoszenia wyników Komitet Noblowski nazwał ją nagrodą za „elektrony i błyski światła” (electrons and flashes of light) do czego można dodać jeszcze „za spójność i dudnienia” (coherence and beats). 1 attosekunda to 10-18 sekundy. Jest to skala czasowa, w której następuje przemieszczenie się chmury elektronowej w czasie zachodzenia reakcji chemicznych. Dlatego nagrodzone w tym roku metody badawcze mają i będą miały coraz większe znaczenie w analizie przebiegu reakcji chemicznych na poziomie zmian struktury elektronowej pojedynczych molekuł.
Aby zrozumieć przełomowy charakter nagrodzonych badań, musimy cofnąć się ponad 70 lat. W 1964 roku Nagrodę Nobla z fizyki przyznano Charlsowi Townesowi, Nikołajowi Basowi i Aleksandrowi Prochorowowi za fundamentalne prace w obszarze laserów i maserów, bez których nie mielibyśmy nagrody w 2023 roku. Co ciekawe, w pierwszych latach starano się uzyskać własności promieniowania całkowicie przeciwne do tych, które nagrodzono Noblem w tym roku. Naukowcy starali się wydłużyć czas impulsów laserowych tak, aby energia ich promieniowania (częstotliwość fali) była jak najwęższa. Doprowadziło to do kolejnych odkryć i związanych z nimi Nagród Nobla w latach 1997, 2001, 2005, 2012 i 2018. Warto przypomnieć, że laureatka Nagrody Nobla z 2018 roku – prof. Donna Strickland – gościła w ubiegłym roku na Uniwersytecie Śląskim.
Generowanie krótkich impulsów świetlnych
O czym musimy pamiętać, aby zrozumieć problem generowania impulsów świetlnych o określonym czasie? Podstawą jest tutaj związek pomiędzy dwiema szerokościami: rozciągłością impulsu w domenie czasu (czasem jego trwania) i jego szerokością energetyczną (popularnie mówiąc ilością kolorów, które go tworzą). Im mniej jest kolorów w świetle, tym dłuższe są pojedyncze impulsy światła, jak w przypadku pierwszych laserów. Jeżeli chcemy wytworzyć krótszy impuls świetlny, tym szerszy musi on być w domenie energii (musi mieć więcej kolorów).
I tutaj rodzi się problem – jak zmusić laser, który w swej idealnej i pierwotnej wersji wytwarza wąską energetycznie linię (jeden kolor), do wytworzenia tęczy lub szeregu częstości. Możemy zrobić to na kilka sposobów.
Pierwszy z nich to wykorzystanie barwników organicznych (np. rodaminy)[1], które pod wpływem klasycznego lasera wytwarzają bardzo szerokie widmo światła. Dzięki nim możemy zejść z czasem trwania impulsu do około 1 pikosekundy, czyli 10-12 s.
Drugi sposób bazuje na „nieidealności” laserów, która była przeszkodą w pierwszych latach badań. Istotą „nieidealności” było generowanie przez lasery kilku lub kilkunastu częstotliwości (modów), które należało nałożyć się na siebie w ściśle określony sposób tzw. mode locking[2]. Pozwoliło to na zbudowanie laserów, których widmo energetyczne miało kształt grzebienia, osiągających czas impulsu rzędu 1 femtosekundy, czyli 10-15 s. (Za frequency comb Nagrodę Nobla otrzymali w 2005 roku John L. Hall i Theodor Hänsch)[3].
Lasery femtosekundowe są używane m.in. na naszym uniwersytecie do badań krótkożyjących stanów molekularnych. Niestety zejście poniżej femtosekund wydawało się niemożliwe ze względu na ciągle za małą szerokość energetyczną impulsów świetlnych.
Anne L’Huillier
W tym miejscu na scenę wkracza tegoroczna laureatka Nagrody Nobla Anne L’Huillier, która w 1988 roku[4] opublikowała pracę opisującą, jak mocne impulsy lasera o świetle podczerwonym wpływają na strumień gazu. Istotą jej badań było określenie możliwości wytwarzania fal o wyższej energii (tzw. Harmonic Generation), czyli energiach większych 2, 3 i więcej razy od energii podstawowej. Okazało się, że przy użyciu lasera o długości fali 1064 nm, energii około 1,1 elektronowolta (eV) i czasie impulsu 10 pikosekund, otrzymała fale o energiach wyższych aż o 21 razy. Równocześnie pojawiły się również fale o energiach przemnożonych przez kolejne liczby nieparzyste 19, 17, 15 itd. Tak więc nie było to widmo ciągłe energetyczne, ale o bardzo szerokim zakresie energii. Technika ta nazwana została High Harmonic Generation (HHG) i to właśnie za to odkrycie przyznano część nagrody.
Pierre Agostini
W 2001 roku wkroczył na scenę drugi z laureatów Pierre Agostini[5], który zaprezentował metodę bazującą na fakcie, że fale powstające w metodzie HHG są ze sobą spójne, to znaczy mogą interferować (nakładać się konstruktywnie) wraz z pierwotnym promieniowaniem użytym do ich wytworzenia. Po co potrzebna jest aż tak skomplikowana metoda? Okazuje się, że złożenie przynajmniej dwóch sąsiednich harmonik (np. siedemnastej i dziewiętnastej) oraz przesuniętego w czasie oryginalnego impulsu światła, pozwala na wybicie z atomu argonu elektronów, które byłoby niemożliwe, gdyby brakowało któregoś ze składników (tzw. modulowane przejście dwufotonowe, three-colour ionization).
Zbadanie zależności energii wybitych elektronów od przesunięcia czasowego pomiędzy falami pozwoliło na zrekonstruowanie struktury czasowej impulsów, które miały szerokość około 250 attosekund. Tak powstała technika o nazwie Reconstruction of Attosecond Beating by Interference of Two-photon Transitions (RABBITT), czyli rekonstrukcja attosekundowych dudnień poprzez interferencję przejść dwufotonowych[6]. Za to odkrycie przyznano drugą część nagrody.
Ferenc Krausz
Równolegle nad aplikacjami metody HHG pracowała grupa Ferenca Krausza[7]. Opracowała ona technikę, która używała pojedynczego impulsu, polegającą na rozciągnięciu przez pole elektryczne fali świetlnej rozkładu pędu elektronów w molekule. Nazwa metody (streaking) pochodzi od rozciągnięcia w linię (streak) wąskiego rozkładu pędów w atomie. (Proszę nie „googlować” nazwy streaking, bo dostaje się opis innego zjawiska). Metoda ta również bazuje na nałożeniu na siebie impulsu fali podczerwonej z impulsami attosekundowymi, które wybijają elektrony z badanej molekuły lub atomu. Otrzymujemy w ten sposób informację o rozkładzie pędu (popularnie mówiąc prędkości) elektronów w molekule lub atomie. Jest to trzecie odkrycie nagrodzone w tym roku.
Lokalizowanie elektronów
W tym miejscu należy dodać komentarz dotyczący natury elektronu i tego, w jaki sposób tłumaczy się często ideę zastosowania impulsów femtosekundowych. Popularne przedstawienie tego tematu prowadzi do stwierdzeń typu: „Uczeni widzą, gdzie są elektrony w atomach. Czy to jest możliwe i co z zasadą nieoznaczoności Heisenberga?”. Pytanie takie pojawiło się również na konferencji Noblowskiej i skierowane było do prof. L’Huillier[8]. W przeciwieństwie do prezentacji wyświetlonej w trakcie tegorocznej gali wręczenia Nobla z fizyki[9] elektrony nie są kulkami umieszczonymi na kołowych orbitach i nie krążą po nich w kółko. Mechanika kwantowa pozwala nam tylko na określenie rozkładu prawdopodobieństwa znalezienia elektronu o określonym pędzie i to właśnie mierzone jest metodą streaking.
Skąd w takim razie bierze się pytanie o położenie elektronów? Otóż spektroskopia w zakresie dalekiego ultrafioletu (XUV), a nawet miękkiego promieniowania rentgenowskiego rzędu (500 eV) pozwala na porównanie rozkładu pędu elektronów obliczonych metodami kwantowomechanicznymi[10] z wynikami pomiarów. Dzięki temu możemy najpierw teoretycznie obliczyć możliwe ścieżki przebiegu reakcji chemicznej, w której następuje transfer elektronów i następnie porównać je z eksperymentem. Pozwala to wykluczyć niewłaściwe modele teoretyczne lub potwierdzić ich poprawność.
Badania struktury czasowej procesów emisji elektronów możemy również przeprowadzać dzięki badaniom prof. Huillier[11] poprzez pomiary opóźnień w skali attosekund, z jakimi elektrony wybijane są z konkretnych powłok elektronowych pierwiastków.
Zastosowania badawcze
Co więc powstrzymuje powszechne zastosowanie tych metod do badań ruchu chmury elektronowej w dowolnych molekułach? Wzbudzanie elektronów w konkretnych atomach związane jest z „dostrojeniem” się do charakterystycznych energii ich powłok elektronowych np. dla tlenu będą to energie 18,2 eV, 41,6 eV lub 543 eV. Niestety użycie laserów podczerwonych (energia podstawowa 1,1 eV) ogranicza nas tylko do kilku pierwiastków, których wzbudzenie mieści się w zakresie generowanych fal harmonicznych.
Czy można pokonać to ograniczenie? Ciągłe widmo promieniowania o dużych natężeniach uzyskujemy w synchrotronach, na przykład w polskim Solaris. Niestety promieniowanie synchrotronowe nie jest spójne w skali czasowej koniecznej do generacji impulsów attosekundowych, co ogranicza jego użycie.
Najlepszym źródłem spójnego promieniowania w tym zakresie są aktualnie lasery na swobodnych elektronach[12] (X-Ray Free Electron Lasers, XFEL) wytwarzające spójne światło w zakresie rentgenowskim. Centra akceleratorowe np. SLAC w Stanford i europejski ośrodek XFEL w Hamburgu stają się przodującymi ośrodkami światowymi w zakresie badań struktury elektronowej molekuł w skali czasowej rzędu 10-18s[13]. Warto dodać, że budowa polskiego XFEL planowana jest w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Otwocku.
Przypisy
[1] https://pl.wikipedia.org/wiki/Laser_barwnikowy (dostęp 3.10.2023)
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Mode_locking (dostęp 3.10.2023)
[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Frequency_comb (dostęp 3.10.2023)
[4] M Ferray, A L’Huillier, X F Li, L A Lompre, G Mainfray and C Manus J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 21 L31 (1988)
[5] P. M. Paul, E. S. Toma, P. Breger, G. Mullot, F. Augé, Ph. Balcou, H. G. Muller, and P. Agostini, Science, 292(5522) pp. 1689-1692 (2001) DOI: 10.1126/science.1059413 (dostęp 3.10.2023)
[6] Pierre Agostini and Louis F DiMauro Rep. Prog. Phys. 67 813 (2004)
[7] F. Krausz, M. Ivanov, Rev. Mod. Phys. 81, 163 (2009)
[8] https://youtu.be/guNJjFRKQ9k?t=1265 (dostęp 3.10.2023)
[9] https://youtu.be/guNJjFRKQ9k?t=798 (dostęp 3.10.2023)
[10] https://www.youtube.com/watch?v=ZYsktRlhMOg (dostęp 3.10.2023)
[11] J M Dahlström et al, J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 45 183001 (2012)
[12] E. Lindroth i inni, Nature Reviews Physics Vol 1, 107–111 (2019), https://www.osti.gov/servlets/purl/1514996 (dostęp 3.10.2023)
[13] Duris, J., Li, S., Driver, T. et al. Nat. Photonics 14, 30-36 (2020) (https://arxiv.org/abs/1906.10649)