Аттосекундное дело
Пьер Агостини, Ференц Краус и Ан Люйе придумали, как разглядеть электрон
Нобелевскую премию по физике присудили за инструмент для изучения самых быстрых процессов, за которыми когда-либо наблюдал человек.
Фото: Reuters / Clotaire Achi
Фото: Matthias Schrader / AP
Фото: TT News Agency / Ola Torkelsson / Reuters
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». Агостини и Люйе французы по происхождению. Агостини сейчас работает в США, Люйе — в Швеции. Краус родился в Венгрии, сейчас работает в Германии.
Как разглядеть электрон
Чтобы следить за изменениями чего угодно, нужно «снимать показания» быстрее, чем эти изменения происходят. Фотографы хорошо знают, как трудно сфотографировать дождь в виде отдельных капель, а не размытых струй. Человеческий глаз не может поймать капли дождя на лету, но профессиональная камера справляется.
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.
Фемтосекундные лазеры так же бессильны уследить за электроном, как глаз бессилен запечатлеть каплю дождя в полете. 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, хоть это и очень приблизительное сравнение. 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. Можно только восхититься мастерством физиков, решивших эту задачу.
Из этих цифр автоматически следует, что аттосекундный лазер не может излучать видимый свет. Не может же лазерный импульс быть короче одного колебания световой волны, занимающего тысячи аттосекунд. В официальной формулировке использовано слово «свет», но 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. У них промежуток времени между последовательными гребнями — как раз десятки аттосекунд.
Звучание электрона
Электромагнитная волна, накрывающая атом, заставляет электрон колебаться. Образно говоря, он качается, как поплавок на воде. И-за этого уже сам электрон начинает испускать электромагнитные волны. Они называются вторичными. Обычно вторичные волны имеют ту же частоту, что и исходная волна, плюс несколько дополнительных гармоник. Если сравнить электрон со струной, атом «играет» основную ноту с несколькими обертонами. Частоты обертоновых волн кратны основной частоте: они больше ее в два, три, четыре раза и так далее. Чем дальше обертон от основной частоты, тем слабее он «звучит», так что обычно различимы лишь несколько первых гармоник.
Однако в экспериментах, которые группа Люйе провела в 1988 году, происходило нечто иное. Физики облучали атомы аргона инфракрасным лазером. Они регистрировали излучение газа на основной частоте и «обертонах». Вот только обертоны упорно не желали ослабевать с удалением от «основной ноты». Тридцать третья гармоника (волна с частотой, которая больше основной в 33 раза) была почти такой же интенсивной, как и пятая.
Это было неизвестное науке физическое явление. Группа Люйе объяснила его в серии статей 1991–1994 годов. Детальное объяснение требует головоломных уравнений квантовой теории, но суть эффекта можно представить себе наглядно.
Дело в том, что физикам невероятно повезло с энергией лазерного излучения. Будь она поменьше, и все пошло бы по обычному сценарию с затуханием обертонов. А если бы она была больше, электрон оторвался бы от ядра и улетел. Экспериментаторы же попали прямо в пограничную область. Электромагнитная волна практически отрывала электрон от атома, но это было обратимое явление. Как только «качающийся» на волне электрон приносило обратно к ядру, он воссоединялся с атомом. Однако за время «вольной жизни» частица получала от лазерного луча дополнительную энергию. Отдавая эту энергию при возвращении в атом, электрон излучал «обертоновые» волны. Вскоре волна вновь разлучала электрон с ядром, и все повторялось.
Складывай и властвуй
Эффект, безусловно, любопытный, но какое отношение он имеет к аттосекундным лазерам? Самое прямое. Рассмотрим, например, 30-ю гармонику (30-й по счету обертон). Это излучение на частоте в 30 раз выше исходной. Другими словами, промежуток времени между соседними гребнями сокращается в 30 раз. Если исходная волна была инфракрасной, то 30-я гармоника окажется ультрафиолетовой, причем уже близкой к рентгеновским лучам. Напомним, что именно такие волны нужны для изучения аттосекундных процессов.
Однако сгенерировать ультрафиолетовое или рентгеновское излучение — дело нехитрое. В любой поликлинике для этого есть рентгеновские аппараты и кварцевые лампы. Да и лазеры, работающие в этих диапазонах, уже не были диковинкой в конце 1980-х. Так что генерация далеких обертонов, открытая Люйе и коллегами, ценна не этим. Гораздо важнее, что именно это явление позволило «нарезать» ультрафиолетовую волну на аттосекундные импульсы.
Напомним, что в эксперименте Люйе волны почти одинаковой интенсивности излучались на нескольких кратных частотах. Такие волны можно наложить друг на друга. Там, где гребень придется на гребень, получится еще более высокий гребень. А там, где гребень придется на впадину, они взаимно уничтожатся. Если сделать все аккуратно, гребни и впадины почти везде компенсируют друг друга. Все, что остается — несколько «горбов» длительностью в аттосекунды. Вот он, путь за аттосекундный барьер, к прямому наблюдению за электронами!
Приметы революции
Разумеется, сказать «наложите волны друг на друга» опять-таки гораздо легче, чем сделать. Ультрафиолетовую волну не ухватишь рукой, чтобы приладить гребни к впадинам. Не было ответа даже на простой вопрос: если мы сгенерируем аттосекундный импульс, как мы убедимся, что он действительно аттосекундный? Другими словами, откуда нам взять аттосекундомер? Физикам пришлось разработать хитроумные схемы и приборы для генерации импульсов и измерения их длительности. Группы Агостини и Крауса решали этот сложнейший комплекс задач на протяжении 1990-х годов.
В 2001 году оба исследователя одновременно достигли цели. Агостини продемонстрировал серию лазерных импульсов продолжительностью всего 250 аттосекунд каждый. Краус изолировал одиночный импульс продолжительностью 650 аттосекунд. Долгожданный путь внутрь атома был открыт. Сегодня физики добрались уже до десятков аттосекунд и не собираются останавливаться. Экспериментаторы делают импульсы короче, энергичнее и улучшают другие характеристики, превращая аттосекундные лазеры из достижения на грани фантастики в мощный и эффективный исследовательский инструмент.
Этой технологии всего двадцать с небольшим лет, а физики уже сделали с ее помощью несколько вещей, ранее казавшихся невозможными. Например, группа Крауса измерила, как быстро происходит фотоэффект (выбивание фотонами электронов из вещества), а группа Люйе теоретически объяснила полученные результаты.
Это, несомненно, только начало. Распахнув окно в аттосекундный мир, ученые обстоятельно исследуют поведение электронов в самых разных атомах, молекулах и кристаллах. Если знания XX века дали нам лазеры, микропроцессоры и композитные материалы, можно только гадать, к чему приведет «аттосекундная революция».