Az idei év díjazottjai kísérleteik során olyan fényvillanásokat hoztak létre, amelyek elég rövidek ahhoz, hogy pillanatképeket lehessen velük készítani az elektronok rendkívül gyors mozgásáról. Anne L’Huillier új kölcsönhatást tárt fel a lézerfény és a gázban lévő atomok között, Pierre Agostini és Krausz Ferenc pedig igazolta, hogy ezt a hatást fel lehet használni a korábban lehetségesnél rövidebb fényimpulzusok létrehozására.
Atomikus kolibrik
Egy kolibri másodpercenként nyolcvanszor képes csapni a szárnyaival, mi pedig ezt csak jellegzetes hangként és elmosódott mozgásként tudjuk érzékelni. Az emberi érzékszervek számára a gyors mozgások összemosódnak, és a rendkívül rövid eseményeket lehetetlen megfigyelni. Technológiai trükkökre van szükségünk ahhoz, hogy ezeket a nagyon rövid pillanatokat megörökítsük vagy megjelenítsük.
A nagysebességű fényképezés és a stroboszkópos megvilágítás lehetővé teszi, hogy a múló jelenségekről részletes képeket készítsünk. Egy repülő kolibriről készült, nagy fókusztartományú fényképhez sokkal rövidebb expozíciós időre van szükség egyetlen szárnycsapásnál. Minél gyorsabb az esemény, annál gyorsabban kell elkészíteni a képet, ha meg akarjuk örökíteni a pillanatot.
Ugyanez az elv érvényes minden olyan módszerre, amelyet gyors folyamatok mérésére vagy megjelenítésére használnak: minden mérést gyorsabban kell elvégezni, mint amennyi idő alatt a vizsgált rendszerben észrevehető változás következik be, különben az eredmény homályos lesz.
Az idei díjazottak kísérleteik során olyan fényimpulzusok előállítására dolgoztak ki módszert, amelyek elég rövidek ahhoz, hogy képeket készítsenek az atomokban és molekulákban zajló folyamatokról.
Az atomok természetes időskálája hihetetlenül rövid. Egy molekulában az atomok a másodpercek billiárdod része, a femtoszekundumok alatti állapotváltozásokat produkálnak. Ezeket a mozgásokat a lézerrel előállítható legrövidebb impulzusokkal lehet tanulmányozni – de amikor egész atomok mozognak, az időskálát a nagy és nehéz atommagok határozzák meg, amelyek rendkívül lassúak a könnyű és fürge elektronokhoz képest. Amikor az elektronok az atomok vagy molekulák belsejében mozognak, azt olyan gyorsan teszik, hogy a változások egy femtoszekundum alatt is elmosódnak. Az elektronok világában a pozíciók és energiák egy és pár száz attoszekundum alatt változnak, ahol az attoszekumdum a másodperc trilliomod része.
Egy attoszekundum olyan rövid, hogy az egy másodperc alatt eltelt attoszekundumok száma megegyezik az univerzum létezése óta eltelt 13,8 milliárd évvel ezelőtt eltelt másodpercek számával.
Hogy valamivel összehasonlíthatóbb léptékben képzeljük el ugyanezt, ha egy fényvillanást egy szoba egyik végéből a szemközti falra küldünk, ez tízmilliárd attoszekundumot vesz igénybe.
Sokáig a femtoszekundumot tekintettek az előállítható fényvillanások fizikailag lehetséges határának. A meglévő technológia és annak várható fejlődése nem tűnt elegendőnek ahhoz, hogy az elektronok elképesztően rövid idő alatt lejátszódó folyamatait láthassuk – valami teljesen új dologra volt szükség. Az idei fizikai Nobel-díjasok olyan kísérleteket végeztek, amelyek megnyitották az attoszekundumos fizika új kutatási területét.
Rövidebb impulzusok magas felharmonikusokkal
A fény hullámokból – elektromos és mágneses mezők rezgéseiből – áll, amelyek gyorsabban mozognak a vákuumban bármi másnál. Ezeknek különböző hullámhosszaik vannak, ami a különböző színeknek felel meg. Például a vörös fény hullámhossza körülbelül 700 nanométer, ami egy hajszál átmérőjének százada, és másodpercenként körülbelül négyszázharmincezer-milliárd periódust ír le. A lehető legrövidebb fényimpulzusra úgy gondolhatunk, mint a fényhullám egyetlen periódusának hosszára, arra a ciklusra, amikor a fényhullám felfelé lendül egy csúcsra, lefelé egy mélypontra, majd vissza a kiindulási pontra.
A közönséges lézerrendszerekben használt hullámhosszok soha nem képesek egy femtoszekundum alá menni, ezért az 1980-as években ezt tekintették a fényimpulzusok legrövidebb lehetséges határértékének.
A hullámokat leíró matematika alapján bármilyen hullámforma felépíthető, ha elegendő mennyiségű, megfelelő méretű, hullámhosszú és amplitúdójú (a csúcsok és hullámvölgyek közötti távolság) hullámot használunk. Az attoszekundumos impulzusok trükkje az, hogy több és rövidebb hullámhossz kombinálásával rövidebb impulzusokat lehet létrehozni. Az elektronok mozgásának megfigyeléséhez atomi szinten elég rövid fényimpulzusokra van szükség, ami sok különböző hullámhosszú rövid hullám kombinációját jelenti.
Ahhoz, hogy a fényhez új hullámhosszokat adjunk hozzá, nem csak lézerre van szükség. A valaha vizsgált legrövidebb pillanat elérésének kulcsa egy olyan jelenség, amely akkor jön létre, amikor a lézerfény gázon halad át. A fény kölcsönhatásba lép a gáz atomjaival, és felharmonikusok keletkeznek – olyan hullámok, amelyek az eredeti hullám minden egyes ciklusa alatt több teljes ciklust teljesítenek. Ezt azokhoz a felharmonikusokhoz hasonlíthatjuk, amelyek egy hangnak sajátos karaktert adnak, és amelyek lehetővé teszik, hogy meghalljuk a különbséget a gitáron és a zongorán játszott ugyanazon hang között.
Anne L’Huillier és kollégái 1987-ben egy francia laboratóriumban egy nemesgázon keresztülvezetett infravörös lézersugárral képesek voltak felharmonikusokat előállítani. Az infravörös fény több és erősebb felharmonikusokat okozott, mint a korábbi kísérletekben használt rövidebb hullámhosszúságú lézerek. Ebben a kísérletben sok, nagyjából azonos fényintenzitású felharmonikust figyeltek meg. L’Huillier tanulmánysorozatban részletezte a hatás vizsgálatát az 1990-es években, amikor a Lund Egyetemen dolgozott. Eredményei hozzájárultak a jelenség elméleti megértéséhez, megalapozva a következő kísérleti áttörést.
Elszabaduló elektronok és felharmonikusok
Amikor a lézerfény belép a gázba, és hat annak atomjaira, elektromágneses rezgéseket vált ki, amelyek torzítják az elektronokat az atommag körül tartó elektromos mezőt. Az elektronok ezután el tudnak szökni az atomoktól. A fény elektromos mezője azonban folyamatosan vibrál, és amikor irányt változtat, az elszabadult elektronok visszatalálhatnak az atommagokhoz. Az elektron kiruccanása során azonban sok extra energiát gyűjt össze a lézerfény elektromos mezőjéből, és ahhoz, hogy újra az atommaghoz kapcsolódjon, a felesleges energiát fényimpulzus formájában kell leadnia. Ezek az elektronokból származó fényimpulzusok hozzák létre a kísérletekben megjelenő felharmonikusokat.
A fény energiája összefüggésben van a hullámhosszával. A kibocsátott felharmonikusok energiája az ultraibolya tartományban adódik le, amely rövidebb hullámhosszú az emberi szem számára látható fénynél. Mivel az energia a lézerfény rezgéseiből származik, a felharmonikusok rezgése arányos lesz az eredeti lézerimpulzus hullámhosszával. A fény sok különböző atommal való kölcsönhatásának eredményeként különböző, meghatározott hullámhosszúságú fényhullámok keletkeznek.
Miután ezek a felharmonikusok létrejönnek, kölcsönhatásba lépnek egymással. A fény intenzívebbé válik, ha a fényhullámok csúcsai összeadódnak, de kevésbé lesz intenzív, ha az egyik ciklus csúcsa egybeesik egy másik ciklus mélypontjával. Megfelelő körülmények között a felharmonikusok úgy esnek egybe, hogy ultraibolya fény impulzusainak sorozata keletkezik, ahol minden egyes impulzus néhány száz attoszekundum hosszúságú. A fizikusok már az 1990-es években megértették ennek elméletét, de az impulzusok tényleges azonosítására és tesztelésére csak 2001-ben került sor.
Pierre Agostini és franciaországi kutatócsoportja sikerrel állította elő és vizsgálta egymást követő fényimpulzusok sorozatát.
Ehhez különleges trükköt alkalmaztak, az „impulzusvonatot” az eredeti lézerimpulzus egy késleltetett részével eresztették össze, hogy lássák, a felharmonikusok milyen fázisban vannak egymáshoz képest. Ezzel az eljárással a vonatban lévő impulzusok időtartamát is meg tudták mérni, és azt látták, hogy minden egyes impulzus mindössze 250 attoszekundumig tartott.
Ugyanebben az időben Krausz Ferenc és kutatócsoportja Ausztriában egy olyan technikán dolgozott, amellyel egyetlen impulzust lehetett kiválasztani – mintha egy kocsit lekapcsolnának a vonatról, és átirányítanák egy másik vágányra.
Az impulzus, amelyet sikerült elkülöníteniük, 650 attoszekundumig tartott, és a csoport egy olyan folyamat nyomon követésére és tanulmányozására használta, amely során az elektronok elszakadnak az atomjaiktól.
Feltárul az elektronok mozgása
Ezek a kísérletek megmutatták, hogy az attoszekundumos impulzusok megfigyelhetők és mérhetők, és hogy új kísérletekben is felhasználhatók. Így, hogy az attoszekundumos világ hozzáférhetővé vált, ezeket a rövid fényimpulzusokat el lehetett kezdeni használni az elektronok mozgásának tanulmányozására. Mára már lehetségessé vált néhány tucat attoszekundumos impulzusok előállítása is, és ez a technológia folyamatosan fejlődik.
Az attoszekundumos impulzusok lehetővé teszik annak mérését, hogy mennyi idő alatt távolodik el egy elektron az atomtól, és azt, hogy ez az idő függ attól, hogy az elektron milyen szorosan kötődik az atommaghoz. Így rekonstruálható, hogyan oszcillál az elektronok eloszlása a molekulákban és anyagokban, ami korábban csak körülbelül, átlagosan volt mérhető.
Az attoszekundumos impulzusok felhasználhatók az anyag belső folyamatainak vizsgálatára, a különböző események azonosítására. Ezeket az impulzusokat az atomok és molekulák részletes fizikájának feltárására használják, és az elektronikától az orvostudományig számos területen alkalmazhatók.
Az attoszekundumos impulzusokkal például molekulákat lehet nyomni, amelyek mérhető jelet bocsátanak ki.
A molekulák jelének különleges szerkezete van, egyfajta ujjlenyomat, amelyből kiderül, hogy milyen molekuláról van szó – ennek lehetséges alkalmazásai közé tartozik az orvosi diagnosztika.
A fizikai Nobel-díjasok által kidolgozott módszerek és megoldások felhasználási területeinek száma tehát óriási, és még csak most kezd feltárulni.
