Kiedy fizycy w badaniu wszechświata schodzą na poziom cząstek subatomowych, wchodzą w zupełnie inny świat, w którym nowe cząstki bezustannie się pojawiają i znikają. Już samo dostrzeżenie ich obecności stanowi ogromne wyzwanie, nie mówiąc o możliwości wykonania jakichkolwiek obserwacji czy pomiarów. Gdyby jednak udało się oświetlić rzeczywistość na niezwykle krótki ułamek sekundy, dałoby się wykonać swoiste zdjęcie rzeczywistości.
Już w latach osiemdziesiątych rozpoczęły się prace nad urządzeniami, które zdolne by były wyemitować niezwykle krótkie impulsy światła. Badanie tego co się dzieje tylko wtedy, kiedy pojawia się na chwilę światło, sprawia, że świat dosłownie zwalnia, a wszystkie procesy, które powszechnie przyjmuje się za bardzo szybkie, stają się dosłownie wiecznością.
Czytaj także: Lasery przyszłości coraz bliżej. Pomoże nowe lustro plazmowe
Fizycy, którzy 3 października 2023 roku otrzymali Nagrodę Nobla, opracowali technikę wytwarzania impulsów laserowych trwających zaledwie kilkadziesiąt, kilkaset attosekund. Wyobraź sobie, ile trwa sekunda. Niewiele, prawda? Spróbuj sobie wyobrazić jedną miliardową część sekundy. Oczywiście jest to niewykonalne. Możemy jedynie odnieść wrażenie, że jest to wartość zasadniczo z naszej perspektywy nieskończenie mała. Otóż 1 attosekunda stanowi jedną miliardową część tej miliardowej części sekundy. Jest to wartość wprost niewyobrażalna. Dosyć obrazowym porównaniem jest też to, które mówi, iż w jednej sekundzie jest więcej attosekund, niż upłynęło sekund od początku wszechświata.
Wystarczy tutaj wspomnieć, że w skali pojedynczych attosekund fizycy mogą bezpośrednio wykryć ruch pojedynczych elektronów krążących wokół jądra atomowego. To właśnie attosekundowe impulsy laserowe po raz pierwszy w historii otworzyły naukowcom drzwi do bezpośredniego badania elektronów. Okazało się bowiem, że za pomocą lasera naukowcy są w stanie manipulować pojedynczymi elektronami. Jeszcze sto lat temu pionierzy mechaniki kwantowej byli przekonani, że czas, jaki potrzeba elektronowi do okrążenia jądra atomowego, jest niemożliwy do zaobserwowania. Po części oczywiście mieli rację, bowiem sam elektron nie krąży wokół atomu jak planeta wokół Słońca. Elektron znika w jednym miejscu, a pojawia się w drugim. Dzięki impulsom attosekundowym jednak naukowcy mogą śledzić ewolucję danego elektronu przeskakującego z jednego miejsca na drugie.
Czytaj także: Polacy stworzyli laser, jakiego jeszcze nie było. To początek nowej drogi
Naukowcy wskazują wyraźnie praktyczne zastosowanie takiego rozwiązania. Teoretycznie może to pozwolić na produkowanie niezwykle szybkich urządzeń elektronicznych. Wystarczy jeden impuls attosekundowy skierowany w stronę półprzewodnika, aby przestał on blokować przepływ prądu i stał się przewodnikiem. Warto zwrócić tutaj także uwagę na fakt, iż technologia emisji ultrakrótkich impulsów laserowych może pozwolić do badania zmian zachodzących w komórkach krwi, potencjalnie wskazujących na wczesne etapy powstawania zmian nowotworowych.
Jak stworzyć impuls attosekundowy?
W latach osiemdziesiątych fizycy mieli wrażenie, że doszli do ściany, kiedy udało im się dojść do femtosekund, czyli do milionowych części miliardowej części sekundy. Wtedy jednak, Anne L’Huillier, jedna z tegorocznych laureatów Nagrody Nobla zauważyła, że w momencie oświetlenia określonych gazów, ich atomy pochłaniają to promieniowanie, a następnie ponownie je emitują z dużo większą częstotliwością. W ciągu kolejnych lat badano różne rodzaje laserów i ich oddziaływanie z różnymi gazami, sprawdzając jakie promieniowanie uda się im wytworzyć.
W 2001 roku po latach prób udało się wytworzyć strumień impulsów, z których każdy trwał zaledwie 250 attosekund. Zaledwie kilka miesięcy później Krausz wyizolował pierwszy pojedynczy impuls trwający 650 attosekund. Dwa lata później L’Huillier udało się wyizolować impuls o długości zaledwie 170 attosekund. Fizyka impulsów attosekundowych stała się rzeczywistością.
Nowe zastosowania ultrakrótkich, attosekundowych impulsów laserowych dopiero powstają, jednak już teraz wiadomo, że jest to osiągnięcie przełomowe i właśnie dlatego w tym roku jego twórcy zostali uhonorowani Nagrodą Nobla.