جایزه نوبل فیزیک سال 2023 به فیزیک آتوثانیه اهدا شد، که نمای غیر مبهمی از الکترون‌های سریع در داخل اتم‌ها و مولکول‌ها ارائه می‌دهد.

پلک نزنید. یک گاز نجیب از یک نازل کوچک در پیش زمینه خارج می شود و پالس های لیزر را به فلاش های نور آتوثانیه ای تبدیل می کند.

جایزه نوبل فیزیک امسال به افتخار کار پیشگامانه فیزیکدانانی است که موفق به ساخت پالس های نوری بسیار سریع برای کاوش رفتار الکترون شدند. این جایزه به طور مساوی بین پیر آگوستینی Pierre Agostini از دانشگاه ایالتی اوهایو، فرانس کراوس Ferenc Krausz از موسسه اپتیک کوانتومی ماکس پلانک در آلمان و آن لوئیه Anne L’Huillier از دانشگاه لوند در سوئد به اشتراک گذاشته شده است.

تحقیقات لوئیه با نشان دادن یک روش مبتنی بر لیزر برای تولید مجموعه‌ای از «هارمونیک‌های» پرانرژی – امواج نوری که فرکانس‌های آن‌ها مضربی از فرکانس لیزر ورودی است- زمینه را برای علم آتوثانیه ( 10^-18 ثانیه) فراهم کرد. کار بعدی آگوستینی و کراوس نشان داد که پالس‌های آتوثانیه از ترکیب بسیاری از این هارمونیک‌ها به وجود می‌آیند. فیزیکدانان با استفاده از این فلاش‌های نوری فوق العاده کوتاه، توانسته‌اند حرکت الکترون‌ها را وقتی خیلی سریع از کنار یک اتم یا درون یک ماده می گذرند ثبت کنند. علم آتوثانیه کاربردهای فراوانی مانند کاوش در واکنش های شیمیایی و ساخت سوئیچ های فوق سریع ارائه می دهد.

یک قطار از پالس های لیزر مانند یک نور چشمک زن (strobe) میکروسکوپی است که می تواند حرکت جسم را در یک زمان خاص جدا کند. محققان مدت‌هاست که از پالس‌های فمتوثانیه (10^-15 ثانیه) برای ثبت حرکت اتم‌ها در واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌کنند (به جایزه نوبل شیمی ۱۹۹۹ مراجعه کنید). ایجاد این پالس ها معمولاً مستلزم ترکیب امواج با محدوده فرکانس یا پهنای باند وسیع و اجازه تداخل دادن است تا انرژی آنها در یک پنجره زمانی کوچک متمرکز شود. مت گارد از دانشگاه ایالتی لوئیزیانا می گوید: فشردن این پنجره به مقیاس زمانی آتوثانیه امکان ردیابی حرکت الکترون را می دهد، اما «شما برای پالس های آتوثانیه به پهنای باند بسیار بیشتری نسبت به پالس های فمتوثانیه نیاز دارید». این پهنای باند بزرگ، مانند یک هدیه، در دهه 1980 با مشاهده تولید هارمونیک های بالا ظاهر شد. هنگامی که یک لیزر پرقدرت به گاز اتم شلیک می شود، نور خروجی ترکیبی از امواج مختلف است که فرکانس همگیشان مضاربی از فرکانس لیزر است. ظاهر شدن چنین هارمونیک‌هایی معمول است (مانند زمانی که سیم گیتار زده می شود)، اما هارمونیک‌های تولید شده توسط لیزر از این جهت شگفت‌انگیز هستند که امواج، یا مُد‌ها، با افزایش فرکانس خاموش نمی‌شوند. درعوض، طیف هارمونیک سطح صافی (plateau) با شدت ثابت را نشان می‌دهد که قبل از رسیدن به قطع(cutoff) در محدوده فرابنفش اکستریم، تا ده ها مُد هارمونیک گسترش می‌یابد. Maciej Lewenstein از موسسه علوم فوتونیک در اسپانیا می گوید: « این تراز صاف کاملا غیرمنتظره بود. درک این مسطح بودنِ پهن باند و سایر ویژگی‌های تولیدِ هارمونیک بالا، گامی کلیدی برای تحقق پالس‌های آتوثانیه بود.

طرز تهیه پالس کوتاه. هنگامی که چندین مُد هارمونیک با هم ترکیب می شوند، شدت نور در برخی مواقع خنثی و در زمان های دیگر به دلیل اثرات تداخل افزایش می یابد. خروجی نور حاصل قطاری از پالس های کوتاه است.

لوئیه، لِوِنشتاین Lewenstein و همکارانشان با تکیه بر مدل‌های قبلی [1، 2] یک مدل کوانتومی کامل از تولید با هارمونیک بالا را در سال 1994 ارائه کردند [3]. تصویر اصلی یک فرآیند سه مرحله‌ای است که با میدان لیزری شدید شروع می‌شود که ساختار میدان الکتریکی درون اتم را مخدوش کرده و به الکترون اجازه می‌دهد به بیرون تونل بزند. این الکترون آزاد شده سپس توسط میدان لیزر تا انرژی زیادی شتاب می‌گیرد. و سرانجام، الکترون دوباره توسط اتم گرفته می شود و "همه انرژی ای را که در راه به دست آورده بود، باز پس می دهد." انرژی آزاد شده به شکل مُدهای هارمونیک ظاهر می شود. مدل لوئیه و لِوِنشتاین نشان داد که چگونه آن نور به مسیرهای کوانتیزه ی الکترون های آزاد شده بستگی دارد.

سوالی که بلافاصله پیش آمد این بود که آیا مدهای هارمونیک می توانند با یکدیگر تداخل داشته و در نتیجه پالس های آتوثانیه ای تولید کنند؟. تداخل نیازمند نوعی همگام سازی، یا همدوسی (coherence)، بین تابش اتم های مختلف است. لوونشتاین می‌گوید: اگر اتم‌ها با یکدیگر تعامل نکنند، سیگنال خروجی ترکیبی آشفته خواهد بود. در سال 1996، او و لوئیه دوباره با هم کار کردند تا از نظر تئوری نشان دهند که اتم ها نور "فاز-جفت شده" ساطع می کنند، که منجر به هماهنگی خروجی آنها می شود [4]. آزمایش‌های بعدی این همدوسی را بررسی کردند. به ویژه، تیم لوئیه، که همراه با گارد Gaarde به عنوان یک دانشجوی دکترا بود، نشان داد که رفتار همدوس در هارمونیک‌های مجزا می‌تواند ده‌ها فمتوثانیه طول بکشد [5].

در پایان دهه 1990، همه نشانه‌ها به وجود پالس‌های آتوثانیه در نور تولید شده با هارمونیک بالا اشاره می‌کردند، اما در واقع تشخیص این پالس‌های فرابنفش (UV) اکستریم با مشکل مواجه شد. اکثر تکنیک ‌های مشخصه‌ یابی پالس در آن زمان برای این فرکانس‌های بالا مناسب نبودند - شیشه و سایر تجهیزات نوری به سرعت نور UV را جذب می‌کنند. لوونشتاین می‌گوید: «ما می‌دانستیم که قطارهای پالس آتوثانیه‌ای وجود دارد، اما برای نشان دادن آن به صورت تجربی نیاز به ایده‌ای مبتکرانه داشتیم. اینجا بود که کار آگوستینی و کراوس مطرح شد.

آگوستینی و همکارانش تکنیکی به نام RABBIT ابداع کردند که نور با هارمونیک بالا را روی یک هدف گازی متمرکز می کرد، جایی که با نور لیزر محرک اولیه ترکیب می شد. اتم های موجود در گاز، با الکترون های خروجی به نور وارد شده پاسخ می دادند که محققان می توانستند آنها را تشخیص دهند. زمان دریافت الکترون‌ها نشان میداد که نور با هارمونیک بالای این گروه تحقیقاتی شامل قطاری از پالس‌های 250 آتوثانیه‌ای است [6]. کراوس و همکارانش استراتژی متفاوتی را توسعه داده و سیستم خود را به گونه‌ای تنظیم کردند که تنها یک پالس در فرآیند تولیدِ هارمونیک بالا ایجاد شود. آنها با استفاده از یک تکنیک اندازه گیری پالس به نام streaking، حضور پالس های 650 آتوثانیه ای را در آزمایش خود تأیید کردند [7].

هنگامی که پالس های آتوثانیه به طور قطعی اندازه گیری شدند، زمان استفاده از آنها فرا رسیده بود. یکی از اولین کاربردها مطالعه اثر فوتوالکتریک بود - تولید الکترون های آزاد زمانی که یک ماده در معرض نور با فرکانس به اندازه کافی بالا قرار می گیرد. با پالس‌های آتوثانیه‌ای، محققان می‌توانند دقیقا زمان‌بندی کنند که چقدر طول می‌کشد تا یک الکترون از یک ماده آزاد شود (به: فوتون‌ها گروهبندی می کنند مراجعه کنید). پیشرفت‌های بیشتر به محققان آتوثانیه اجازه داد تا الکترون‌ها را هنگام مهاجرت به اطراف یک اتم یا مولکول در طی واکنش‌های شیمیایی ردیابی کنند (نگاه کنید به: الکترون‌ها از خودشان فیلم‌برداری می‌کنند). گارد می‌گوید: «ما تعدادی از این «فیلم‌های الکترونی» را ساخته‌ایم و در پنج تا ده سال آینده تعداد زیادی از این فیلم‌ها ساخته خواهد شد. او همچنین درباره مرزی در حال ظهور که در آن مواد جامد با پالس‌های آتوثانیه کاوش می‌شوند هیجان‌زده است: شاید منجر به کنترلِ پالسی خواص مواد در آینده شود.

لوئیه پنجمین زنی است که برنده جایزه نوبل فیزیک شده است. گارد می‌گوید: «او الگوی فوق‌العاده‌ای است. لوونشتاین می‌گوید: «همه [برندگان جایزه ۲۰۲۳] فیزیکدانان خارق‌العاده‌ای هستند و این برای کل حوزه علم آتوثانیه بسیار زیباست».

1. K. C. Kulander et al., “Dynamics of short-pulse excitation, ionization and harmonic conversion,” Super-Intense Laser-Atom Physics 95 (1993), in B. Piraux et al., eds., Super-Intense Laser-Atom Physics, NATO ASI Series, vol. 316 (Springer, Boston, MA).

2. P. B. Corkum, “Plasma perspective on strong field multiphoton ionization,” Phys. Rev. Lett. 71, 1994 (1993).

3. M. Lewenstein et al., “Theory of high-harmonic generation by low-frequency laser fields,” Phys. Rev. A 49, 2117 (1994).

4. P. Antoine et al., “Attosecond pulse trains using high–order harmonics,” Phys. Rev. Lett. 77, 1234 (1996).

5. M. Bellini et al., “Temporal coherence of ultrashort high-order harmonic pulses,” Phys. Rev. Lett. 81, 297 (1998).

6. P. M. Paul et al., “Observation of a train of attosecond pulses from high harmonic generation,” Science 292, 1689 (2001).

7. M. Hentschel et al., “Attosecond metrology,” Nature 414, 509 (2001).

منبع خبر