Нобелевскую премию по физике присудили за лазеры, способные заглянуть в атом

Лауреатами Нобелевской премии по физике 2023 года стали Пьер Агостини, Ференц Краус и Ан Люйе. Премия присуждена им «за экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе», сообщается на сайте премии.

Аттосекундные импульсы – это импульсы продолжительностью в несколько аттосекунд. Одна аттосекунда равна квинтиллионной (10-18) доле секунды. Аттосекунда во столько же раз скоротечнее секунды, во сколько секунда короче возраста Вселенной.

Электрон в атоме водорода обходит вокруг ядра за 150 аттосекунд. Значит, уследить за электроном можно только с помощью процессов, которые еще скоротечнее. Аналогия проста: сфотографировать человека на бегу можно только фотоаппаратом, который срабатывает быстрее, чем бегун перемещается. Иначе вместо человека на снимках получится размытое пятно.

Агостини, Краус и Люйе дали в руки физикам подходящий инструмент. Это аттосекундные импульсы лазерного излучения. В официальной формулировке использовано слово «свет», но в его нужно понимать в более общем смысле, как электромагнитное излучение. Аттосекундные лазеры испускают не свет, видимый человеческим глазом, а ультрафиолетовые волны, причем настолько короткие, что это уже почти рентгеновские лучи.

Ключ к аттосекундным импульсам крылся в явлении, которое группа Люйе открыла и объяснила конце 1980-х – начале 1990-х. Если облучать атомы инертных газов мощным лазером, излучение отрывает электрон от ядра. Но не навсегда. Очень скоро электрон воссоединяется с атомом. Однако за время «вольной жизни» он получает от лазерного луча дополнительную энергию. Отдавая эту энергию при возвращении в атом, электрон сам излучает электромагнитные волны на множестве частот. Эти частоты кратны частоте волны лазера: они больше ее в два, три, четыре раза и так далее, вплоть до нескольких десятков раз. Говоря в музыкальных терминах, если лазер испускает «основную ноту», то электрон – многочисленные обертоны.

С помощью этих обертонов можно сформировать импульсы излучения продолжительностью всего несколько аттосекунд. Для этого нужно наложить разные волны друг на друга так, чтобы гребни и впадины почти везде компенсировали друг друга. Все, что остается – несколько аттосекундных «горбов».

В 2001 г. научные группы Агостини и Крауса одновременно воплотили эту теорию в практику. Агостини продемонстрировал серию лазерных импульсов продолжительностью всего 250 аттосекунд каждый. Краус изолировал одиночный импульс продолжительностью 650 аттосекунд. Сегодня физики добрались уже до десятков аттосекунд, и не собираются останавливаться.

Анатолий Глянцев