Аттосекундное дело
Нобелевскую премию по физике присудили за инструмент для изучения самых быстрых процессов, за которыми когда-либо наблюдал человек.
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».
Как разглядеть электрон
Какая камера могла бы зафиксировать, как две столкнувшиеся молекулы вступают в химическую реакцию? Это событие продолжается 1–10 пикосекунд (триллионных долей секунды). У химиков есть инструменты для такой тонкой работы — фемтосекундные лазеры (фемтосекунда в тысячу раз короче пикосекунды). Импульс подобного лазера может продолжаться сотни, десятки или даже всего несколько фемтосекунд. В таких масштабах времени молекулы медлительны и неторопливы. Теперь ученые отслеживают химические реакции в реальном времени, а не просто констатируют их результат. Этот академический интерес быстро трансформируется в практический результат: новые материалы, лекарства, технологии.
Химические реакции далеко не самый скоротечный процесс в природе. Внутри атома события развиваются куда быстрее. Электрон в атоме водорода обходит вокруг ядра за 150 аттосекунд: во-первых, электрон быстрый, а во-вторых, атом маленький. Одна аттосекунда равна квинтиллионной (10–18) доле секунды, или тысячной доле фемтосекунды. Аттосекунда во столько же раз скоротечнее секунды, во сколько секунда короче возраста Вселенной.
Однако сказать «нам нужен аттосекундный лазер» намного легче, чем сделать его. Технологии, лежащие в основе фемтосекундных излучателей, не позволяли шагнуть за аттосекундный барьер. Требовались новые открытия. За эти открытия нынешние лауреаты и были удостоены высокой награды.
На гребне волны
Свет — это электромагнитная волна. Его можно сравнить с волнами на воде. Через каждую точку в пространстве по очереди проходят гребни и впадины волны. Представим, что мы засекли прохождение одного гребня и ждем следующего. Сколько нам придется ждать? Если речь идет о видимом свете, то одну-две фемтосекунды. То есть импульс продолжительностью, скажем, 200 фемтосекунд включает в себя какую-нибудь сотню гребней световой волны. Создать такой импульс вряд ли легче, чем лезвие толщиной в сотню атомов.