Í mikilvægri tilkynningu að kvöldi 3. október 2023 voru Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir árið 2023 afhjúpuð, sem viðurkennir framúrskarandi framlag þriggja vísindamanna sem hafa gegnt lykilhlutverkum sem brautryðjendur á sviði attosecond leysitækni.

Hugtakið „attosecond laser“ dregur nafn sitt af ótrúlega stuttum tímakvarða sem það starfar á, sérstaklega í röð attoseconds, sem samsvarar 10^-18 sekúndum. Til að átta sig á djúpstæðu þýðingu þessarar tækni er grundvallarskilningur á því hvað attoseconda táknar mikilvægur. Attósekúnda stendur sem ofurmínúta tímaeining, sem er einn milljarður úr milljarði úr sekúndu í víðara samhengi einnar sekúndu. Til að setja þetta í samhengi, ef við ættum að líkja sekúndu við hávaxið fjall, þá væri attoseconna í ætt við eitt sandkorn sem er staðsett við botn fjallsins. Á þessu hverfula tímabili getur jafnvel ljós varla farið vegalengd sem jafngildir stærð einstaks atóms. Með því að nota attosecond leysir, öðlast vísindamenn áður óþekkta getu til að rýna í og ​​meðhöndla flókið gangverk rafeinda innan frumeindamannvirkja, í líkingu við ramma-fyrir-ramma hægfara endurspilun í kvikmyndalegri röð, og kafa þannig ofan í samspil þeirra.

Attosecond leysirtákna afrakstur umfangsmikilla rannsókna og samstilltra átaks vísindamanna, sem hafa nýtt meginreglur ólínulegrar ljósfræði til að búa til ofurhraðan leysigeisla. Tilkoma þeirra hefur veitt okkur nýstárlegan sjónarhól til að skoða og rannsaka hina kraftmiklu ferla sem gerast innan frumeinda, sameinda og jafnvel rafeinda í föstu efni.

Til að skýra eðli attosecond leysis og meta óhefðbundna eiginleika þeirra í samanburði við hefðbundna leysira, er mikilvægt að kanna flokkun þeirra innan breiðari "leysisfjölskyldunnar." Flokkun eftir bylgjulengdum staðsetur attósekúndu leysigeisla aðallega innan útfjólublárra til mjúkra röntgengeislatíðna, sem þýðir áberandi styttri bylgjulengdir þeirra í mótsögn við hefðbundna leysigeisla. Hvað varðar úttaksham, falla attosecond leysir undir flokk púlsleysis, sem einkennist af mjög stuttum púlstíma þeirra. Til að draga upp líkingu fyrir skýrleika, má sjá fyrir sér samfellda bylgjuleysi sem líkist vasaljósi sem gefur frá sér samfelldan ljósgeisla, á meðan púlslausir leysir líkjast strobe ljósi sem skipta hratt á milli tímabila lýsingar og myrkurs. Í raun sýna attosecond leysir púlsandi hegðun í lýsingunni og myrkrinu, en samt sem áður gerast umskipti þeirra á milli þessara tveggja ríkja á undraverðri tíðni og ná til sviðs attósekúndna.

Frekari flokkun eftir krafti setur leysigeisla í lágafls-, miðlungs- og mikilvirkt sviga. Attosecond leysir ná háum hámarksafli vegna mjög stutts púlstíma, sem leiðir til áberandi hámarksafls (P) – skilgreint sem styrkleiki orku á tímaeiningu (P=W/t). Þó að einstakir attosecond leysir púlsar hafi ekki einstaklega mikla orku (W), gefur skammstafað tímabundið umfang þeirra (t) þeim aukið hámarksafl.

Hvað varðar notkunarsvið spanna leysir litróf sem nær yfir iðnaðar-, læknis- og vísindaleg forrit. Attosecond leysir finna fyrst og fremst sinn sess á sviði vísindarannsókna, sérstaklega í könnun á hraðri þróun fyrirbæra á sviði eðlis- og efnafræði, og bjóða upp á glugga inn í hröð, kraftmikil ferla örheimsins.

Flokkun eftir leysimiðli afmarkar leysir sem gasleysir, solid-state leysir, fljótandi leysir og hálfleiðara leysir. Framleiðsla attosecond leysira er venjulega lamir á gasleysismiðlum og nýtir sér ólínuleg sjónáhrif til að skapa hágæða harmoniku.

Til samanburðar eru attósekúndu leysir einstakur flokkur stuttpúlsleysis, aðgreindar af óvenju stuttum púlstíma þeirra, venjulega mæld í attósekúndum. Fyrir vikið hafa þeir orðið ómissandi verkfæri til að fylgjast með og stjórna ofurhröðum kraftferlum rafeinda innan frumeinda, sameinda og föstu efnis.

Vandað ferli Attosecond Laser Generation

Attosecond leysitæknin er í fararbroddi vísindalegra nýsköpunar og státar af forvitnilegum ströngum skilyrðum fyrir kynslóð sína. Til að útskýra ranghala aðósekúndu leysisframleiðslu, byrjum við á hnitmiðaðri útlistun á undirliggjandi meginreglum hennar, fylgt eftir með lifandi myndlíkingum sem unnar eru úr hversdagslegri reynslu. Lesendur sem ekki þekkja til ranghala viðkomandi eðlisfræði þurfa ekki að örvænta, þar sem myndlíkingarnar sem fylgja með miða að því að gera grunneðlisfræði attosecond leysis aðgengilega.

Framleiðsluferlið attosecond leysira byggir fyrst og fremst á tækninni sem kallast High Harmonic Generation (HHG). Í fyrsta lagi er geisli af hástyrktum femtósekúndu (10^-15 sekúndum) leysipúlsum þétt fókusaður á loftkennt markefni. Það er athyglisvert að femtósekúndu leysir, í ætt við attósekúndu leysir, deila þeim eiginleikum að hafa stuttan púlstíma og háan hámarksafl. Undir áhrifum hins mikla leysisviðs losna rafeindir innan gasatómanna um stundarsakir úr atómkjarna þeirra og fara tímabundið inn í ástand frjálsra rafeinda. Þegar þessar rafeindir sveiflast til að bregðast við leysisviðinu, snúa þær að lokum aftur til og sameinast aftur frumeindakjarna sínum og búa til ný háorkuástand.

Í þessu ferli hreyfast rafeindir á mjög miklum hraða og við endursamsetningu við atómkjarna losa þær viðbótarorku í formi mikillar harmónískrar losunar, sem birtist sem háorkuljóseindir.

Tíðni þessara nýmynduðu háorkuljóseinda eru heiltölu margfeldi af upprunalegu leysitíðninni, og mynda það sem kallað er hástigs harmonika, þar sem "harmonics" táknar tíðni sem eru óaðskiljanleg margfeldi af upprunalegu tíðninni. Til að ná fram attosecond leysis verður nauðsynlegt að sía og fókusa þessar háttsettu harmonikkur, velja sérstakar harmonikur og einbeita þeim í brennipunkt. Ef þess er óskað getur púlsþjöppunartækni stytt púlslengdina enn frekar, sem gefur afar stutta púls á attósekúndu bilinu. Augljóslega er kynslóð attosecond leysis háþróuð og margþætt ferli sem krefst mikillar tæknikunnáttu og sérhæfðs búnaðar.

Til að afmáa þetta flókna ferli, bjóðum við upp á myndlíka hliðstæðu sem byggir á hversdagslegum atburðarásum:

Hástyrkir femtosekúndu leysir púlsar:

Sjáðu fyrir þér að búa yfir einstaklega öflugri katapult sem er fær um að kasta steinum samstundis á gríðarlegum hraða, svipað hlutverki hástyrks femtósekúndu leysirpúlsa.

Loftkennt markefni:

Sjáðu fyrir þér kyrrlátan vatnshlot sem táknar loftkennt markefnið, þar sem hver vatnsdropi táknar mýgrútur gasatóm. Athöfnin að knýja steina inn í þennan vatnshlot endurspeglar á svipaðan hátt áhrif hástyrks femtósekúndu leysirpúlsa á loftkennt markefnið.

Rafeindahreyfing og endurröðun (líkamlega kölluð umskipti):

Þegar femtósekúndu leysir púlsar hafa áhrif á gasatómin í loftkenndu markefninu, er umtalsverður fjöldi ytri rafeinda örvaður í augnablik í ástand þar sem þær losna frá viðkomandi atómkjarna sínum og mynda plasmalíkt ástand. Þegar orka kerfisins minnkar í kjölfarið (þar sem leysipúlsarnir eru í eðli sínu púlsaðir, með stöðvunarbilum), snúa þessar ytri rafeindir aftur í nágrenni við atómkjarnana og gefa frá sér háorkuljóseindir.

High Harmonic Generation:

Ímyndaðu þér að í hvert sinn sem vatnsdropi dettur aftur upp á yfirborð vatnsins, þá myndar hann gárur, svipað og háharmoník í attosecond leysis. Þessar gárur hafa hærri tíðni og amplitudes en upprunalegu gárurnar af völdum aðal femtósekúndu leysirpúlsins. Meðan á HHG ferlinu stendur lýsir öflugur leysigeisli, í ætt við að kasta steinum stöðugt, upp gasmark sem líkist yfirborði vatnsins. Þetta ákafa leysisvið knýr rafeindir í gasinu, svipað og gárur, í burtu frá frumeindum þeirra og dregur þær síðan til baka. Í hvert sinn sem rafeind snýr aftur til atómsins gefur hún frá sér nýjan leysigeisla með hærri tíðni, í ætt við flóknari gáramynstur.

Sía og fókus:

Með því að sameina alla þessa nýmynduðu leysigeisla fæst litróf af ýmsum litum (tíðni eða bylgjulengdum), sem sumir hverjir mynda attosecond leysirinn. Til að einangra ákveðnar gárastærðir og tíðni geturðu notað sérhæfða síu, svipað og að velja æskilega gára, og notað stækkunargler til að fókusa þær á ákveðið svæði.

Púlsþjöppun (ef nauðsyn krefur):

Ef þú miðar að því að dreifa gárum hraðar og styttri geturðu flýtt fyrir útbreiðslu þeirra með því að nota sérhæft tæki, sem dregur úr þeim tíma sem hver gára endist. Framleiðsla attosecond leysira felur í sér flókið samspil ferla. Hins vegar, þegar það er brotið niður og sjónrænt, verður það skiljanlegra.