U značajnoj najavi uveče 3. oktobra 2023. godine, otkrivena je Nobelova nagrada za fiziku za 2023. godinu, kojom se odaje priznanje za izuzetan doprinos tri naučnika koji su igrali ključnu ulogu kao pioniri u oblasti atosekundne laserske tehnologije.

Naziv "atosekundni laser" potiče od nevjerovatno kratkog vremenskog okvira na kojem radi, posebno u redoslijedu atosekundi, što odgovara 10^-18 sekundi. Da bismo shvatili duboki značaj ove tehnologije, najvažnije je temeljno razumijevanje onoga što atosekunda označava. Attosekunda predstavlja izuzetno minutnu jedinicu vremena, koja čini milijardu milijarditog dijela sekunde u širem kontekstu jedne sekunde. Da ovo stavimo u perspektivu, ako bismo sekundu uporedili sa visokom planinom, atosekunda bi bila slična jednom zrnu peska koje se nalazi u podnožju planine. U ovom prolaznom vremenskom intervalu, čak i svjetlost jedva može prijeći udaljenost koja je ekvivalentna veličini pojedinačnog atoma. Korištenjem atosekundnih lasera, naučnici stječu neviđenu sposobnost da pomno ispitaju i manipulišu zamršenom dinamikom elektrona unutar atomskih struktura, nalik na usporenu reprodukciju sličica po kadar u bioskopskoj sekvenci, upuštajući se na taj način u njihovu međusobnu igru.

Attosekundni laseripredstavljaju kulminaciju opsežnog istraživanja i zajedničkih napora naučnika, koji su iskoristili principe nelinearne optike za izradu ultra brzih lasera. Njihov dolazak nam je pružio inovativnu tačku za posmatranje i istraživanje dinamičkih procesa koji se odvijaju unutar atoma, molekula, pa čak i elektrona u čvrstim materijalima.

Da bi se razjasnila priroda atosekundnih lasera i uvažila njihova nekonvencionalna svojstva u poređenju sa konvencionalnim laserima, neophodno je istražiti njihovu kategorizaciju unutar šire "familije lasera". Klasifikacija prema talasnoj dužini stavlja atosekundne lasere pretežno u opseg frekvencija ultraljubičastih do mekih rendgenskih zraka, što znači da su njihove talasne dužine znatno kraće za razliku od konvencionalnih lasera. U pogledu izlaznih modova, atosekundni laseri spadaju u kategoriju impulsnih lasera, koje karakteriše njihovo izuzetno kratko trajanje impulsa. Da bismo povukli analogiju radi jasnoće, možemo zamisliti lasere s kontinuiranim valovima poput baterijske lampe koja emituje kontinuirani snop svjetlosti, dok impulsni laseri nalikuju stroboskopu, koji se brzo izmjenjuju između perioda osvjetljenja i tame. U suštini, atosekundni laseri pokazuju pulsirajuće ponašanje unutar osvjetljenja i tame, ali se njihov prijelaz između dva stanja odvija na zapanjujućoj frekvenciji, dostižući područje attosekunde.

Dalja kategorizacija prema snazi ​​stavlja lasere u zagrade male, srednje i velike snage. Attosekundni laseri postižu visoku vršnu snagu zbog svog izuzetno kratkog trajanja impulsa, što rezultira izraženom vršnom snagom (P) – definisanom kao intenzitet energije u jedinici vremena (P=W/t). Iako pojedinačni laserski impulsi atosekunde možda nemaju izuzetno veliku energiju (W), njihov skraćeni vremenski opseg (t) daje im povećanu vršnu snagu.

U smislu domena primjene, laseri pokrivaju spektar koji obuhvata industrijske, medicinske i naučne primjene. Attosekundni laseri prvenstveno nalaze svoju nišu u domenu naučnih istraživanja, posebno u istraživanju fenomena koji se brzo razvijaju u domenu fizike i hemije, nudeći prozor u brze dinamičke procese mikrokosmičkog sveta.

Kategorizacija prema laserskom mediju ocrtava lasere kao gasne lasere, lasere na čvrstom stanju, tečne lasere i poluvodičke lasere. Generiranje attosekundnih lasera obično zavisi od medija gasnog lasera, kapitalizirajući nelinearne optičke efekte za stvaranje harmonika visokog reda.

Ukratko, atosekundni laseri čine jedinstvenu klasu kratkopulsnih lasera, koji se razlikuju po izuzetno kratkom trajanju impulsa, koji se obično mjeri u atosekundama. Kao rezultat toga, oni su postali nezamjenjivi alati za promatranje i kontrolu ultrabrzih dinamičkih procesa elektrona unutar atoma, molekula i čvrstih materijala.

Složen proces generisanja atosekundnog lasera

Attosecond laserska tehnologija stoji na čelu naučne inovacije, može se pohvaliti intrigantno rigoroznim skupom uslova za svoju generaciju. Da bismo razjasnili zamršenost generisanja atosekundnog lasera, počinjemo sa sažetim izlaganjem njegovih temeljnih principa, nakon čega slijede živopisne metafore proizašle iz svakodnevnih iskustava. Čitaoci koji nisu upoznati sa zamršenostima relevantne fizike ne moraju očajavati, jer metafore koje slijede imaju za cilj da temeljnu fiziku atosekundnih lasera učine dostupnom.

Proces generisanja attosekundnih lasera prvenstveno se oslanja na tehniku ​​poznatu kao High Harmonic Generation (HHG). Prvo, snop laserskih impulsa visokog intenziteta femtosekunde (10^-15 sekundi) je čvrsto fokusiran na gasoviti ciljni materijal. Vrijedi napomenuti da femtosekundni laseri, slični atosekundnim laserima, dijele karakteristike kratkog trajanja impulsa i velike vršne snage. Pod uticajem intenzivnog laserskog polja, elektroni unutar atoma gasa se trenutno oslobađaju iz svojih atomskih jezgara, prelazeći u stanje slobodnih elektrona. Kako ovi elektroni osciliraju kao odgovor na lasersko polje, oni se na kraju vraćaju i rekombinuju sa svojim matičnim atomskim jezgrama, stvarajući nova visokoenergetska stanja.

Tokom ovog procesa, elektroni se kreću ekstremno velikim brzinama, a nakon rekombinacije sa atomskim jezgrima oslobađaju dodatnu energiju u obliku visokoharmonijskih emisija, manifestirajući se kao fotoni visoke energije.

Frekvencije ovih novogeneriranih visokoenergetskih fotona su cjelobrojni višekratnici originalne laserske frekvencije, formirajući ono što se naziva harmonicima visokog reda, gdje "harmonici" označavaju frekvencije koje su integralni višekratnici originalne frekvencije. Da bi se postigli atosekundni laseri, postaje neophodno filtrirati i fokusirati ove harmonike visokog reda, odabirući specifične harmonike i koncentrišući ih u žarišnu tačku. Po želji, tehnike kompresije impulsa mogu dodatno skratiti trajanje impulsa, dajući ultra-kratke impulse u rasponu atosekunde. Očigledno, generiranje attosekundnih lasera predstavlja sofisticiran i višestruki proces, koji zahtijeva visok stepen tehničke vještine i specijaliziranu opremu.

Da bismo demistificirali ovaj zamršeni proces, nudimo metaforičku paralelu utemeljenu na svakodnevnim scenarijima:

Femtosekundni laserski impulsi visokog intenziteta:

Zamislite posjedovanje izuzetno moćnog katapulta sposobnog trenutnog bacanja kamenja kolosalnim brzinama, slično ulozi koju igraju femtosekundni laserski impulsi visokog intenziteta.

Gasni ciljni materijal:

Zamislite mirno vodeno tijelo koje simbolizira plinoviti ciljni materijal, gdje svaka kapljica vode predstavlja bezbroj atoma plina. Čin izbacivanja kamenja u ovo vodeno tijelo analogno odražava utjecaj femtosekundnih laserskih impulsa visokog intenziteta na plinoviti ciljni materijal.

Kretanje i rekombinacija elektrona (fizički nazvan prijelaz):

Kada femtosekundni laserski impulsi utiču na atome gasa unutar gasovitog ciljnog materijala, značajan broj spoljašnjih elektrona se trenutno pobuđuje u stanje u kojem se odvajaju od svojih atomskih jezgara, formirajući stanje nalik plazmi. Kako se energija sistema naknadno smanjuje (pošto su laserski impulsi inherentno pulsirani, sa intervalima prestanka), ovi vanjski elektroni se vraćaju u svoju blizinu atomskih jezgara, oslobađajući fotone visoke energije.

Visoka harmonijska generacija:

Zamislite svaki put kada kapljica vode padne na površinu jezera, ona stvara talase, slično visokim harmonicima u laserima atosekunde. Ovi talasi imaju veće frekvencije i amplitude od originalnih talasa uzrokovanih primarnim femtosekundnim laserskim impulsom. Tokom HHG procesa, snažan laserski snop, sličan neprekidnom bacanju kamenja, osvjetljava plinsku metu, nalik na površinu jezera. Ovo intenzivno lasersko polje tjera elektrone u plinu, analogno talasima, dalje od njihovih matičnih atoma, a zatim ih povlači nazad. Svaki put kada se elektron vrati atomu, on emituje novi laserski snop sa višom frekvencijom, slično složenijim obrascima talasanja.

Filtriranje i fokusiranje:

Kombinovanjem svih ovih novogenerisanih laserskih zraka dobija se spektar različitih boja (frekvencija ili talasnih dužina), od kojih neke čine atosekundni laser. Da biste izolirali određene veličine i frekvencije talasa, možete koristiti specijalizirani filter, sličan odabiru željenih talasa, i koristiti povećalo da ih fokusirate na određeno područje.

Kompresija pulsa (ako je potrebno):

Ako imate za cilj širenje talasa brže i kraće, možete ubrzati njihovo širenje pomoću specijaliziranog uređaja, smanjujući vrijeme trajanja svakog talasa. Generiranje attosekundnih lasera uključuje složenu međusobnu igru ​​procesa. Međutim, kada se raščlani i vizualizira, postaje razumljivije.