Í stórkostlegri tilkynningu kvöldið 3. október 2023 voru Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir árið 2023 afhjúpuð, sem viðurkenningu fyrir framúrskarandi framlag þriggja vísindamanna sem hafa gegnt lykilhlutverki sem brautryðjendur á sviði attósekúndu leysigeislatækni.

Hugtakið „attosekúnduleysir“ dregur nafn sitt af ótrúlega stuttum tímakvarða sem hann starfar á, sérstaklega í röð attosekúndna, sem samsvarar 10^-18 sekúndum. Til að skilja djúpstæða þýðingu þessarar tækni er grundvallarskilningur á því hvað attosekúnda þýðir afar mikilvægur. Attosekúnda er eins og afar mínúta tímaeining, sem jafngildir einum milljarðahluta úr milljarði úr sekúndu í víðara samhengi einnar sekúndu. Til að setja þetta í samhengi, ef við myndum líkja sekúndu við turnháa fjall, væri attosekúnda eins og eitt sandkorn sem liggur við rætur fjallsins. Á þessu hverfula tímabili getur jafnvel ljós varla farið vegalengd sem jafngildir stærð einstaks atóms. Með því að nota attosekúnduleysi öðlast vísindamenn fordæmalausa getu til að grandskoða og stjórna flóknum gangverki rafeinda innan atómbygginga, svipað og hægfara endurspilun ramma fyrir ramma í kvikmyndalegri atburðarás, og þannig kafa djúpt í samspil þeirra.

Attósekúndu leysirÞetta er afrakstur umfangsmikilla rannsókna og samræmds átaks vísindamanna sem hafa nýtt sér meginreglur ólínulegrar ljósfræði til að búa til ofurhraða leysigeisla. Tilkoma þeirra hefur veitt okkur nýstárlegt sjónarhorn til að fylgjast með og kanna þá kraftmiklu ferla sem eiga sér stað innan atóma, sameinda og jafnvel rafeinda í föstum efnum.

Til að skýra eðli attósekúnduleysigeisla og meta óhefðbundna eiginleika þeirra í samanburði við hefðbundna leysigeisla er nauðsynlegt að skoða flokkun þeirra innan breiðari „leysigeislafjölskyldunnar“. Flokkun eftir bylgjulengd setur attósekúnduleysigeisla aðallega innan tíðnisviðsins frá útfjólubláum til mjúkra röntgengeisla, sem gefur til kynna mun styttri bylgjulengdir þeirra í samanburði við hefðbundna leysigeisla. Hvað varðar úttaksstillingar falla attósekúnduleysigeislar undir flokk púlsleysigeisla, sem einkennast af afar stuttum púlslengdum. Til að draga samlíkingu til glöggvunar má ímynda sér samfellda bylgjuleysigeisla sem svipaða vasaljósi sem gefur frá sér samfelldan ljósgeisla, en púlsleysigeislar líkjast stroboskopljósi, sem skiptist hratt á milli tímabila birtu og myrkurs. Í raun sýna attósekúnduleysigeislar púlsandi hegðun í birtu og myrkri, en umskipti þeirra á milli þessara tveggja ástanda eiga sér stað á ótrúlegri tíðni og nær að vera attósekúndur.

Frekari flokkun eftir afli setur leysigeisla í lágafl, meðalafl og háafl. Attósekúnduleysir ná mikilli hámarksafli vegna afar stuttrar púlslengdar, sem leiðir til áberandi hámarksafls (P) - skilgreint sem orkustyrkur á tímaeiningu (P = W / t). Þó að einstakir attósekúnduleysigeislapúlsar hafi kannski ekki óvenju mikla orku (W), þá gefur stytt tímalengd þeirra (t) þeim aukið hámarksafl.

Hvað varðar notkunarsvið spanna leysir svið sem nær yfir iðnaðar-, læknisfræðileg og vísindaleg notkun. Attósekúnduleysir finna fyrst og fremst sinn sess innan vísindarannsókna, sérstaklega í könnun á ört vaxandi fyrirbærum innan eðlisfræði og efnafræði, og bjóða upp á glugga inn í hraðvirka kraftmikla ferla örheimsins.

Flokkun eftir leysimiðli afmarkar leysigeisla sem gasleysigeisla, fastfasaleysigeisla, vökvaleysigeisla og hálfleiðaraleysigeisla. Framleiðsla attósekúnduleysigeisla byggir venjulega á gasleysigeislamiðlum og nýtir sér ólínuleg sjónræn áhrif til að skapa háþróaða harmoníur.

Í stuttu máli eru attósekúnduleysir einstakur flokkur stuttpúlsleysira, sem aðgreinast af óvenju stuttum púlslengdum, yfirleitt mældum í attósekúndum. Þar af leiðandi hafa þeir orðið ómissandi verkfæri til að fylgjast með og stjórna hraðvirkum hreyfiferlum rafeinda innan atóma, sameinda og fastra efna.

Flókið ferli við að framleiða attósekúndu leysigeisla

Attósekúndu leysigeislatækni er fremst í flokki vísindalegra nýjunga og státar af spennandi ströngum skilyrðum fyrir framleiðslu hennar. Til að varpa ljósi á flækjustig framleiðslu attósekúndu leysigeisla byrjum við á hnitmiðaðri útskýringu á undirliggjandi meginreglum hennar, og síðan lifandi myndlíkingum sem eru dregnar af daglegri reynslu. Lesendur sem eru ókunnugir flækjustigi viðkomandi eðlisfræði þurfa ekki að örvænta, þar sem myndlíkingarnar sem fylgja miða að því að gera grunn eðlisfræði attósekúndu leysigeisla aðgengilega.

Myndunarferli attósekúnduleysigeisla byggir aðallega á tækni sem kallast háharmonísk myndun (HHG). Í fyrsta lagi er geisli af hástyrkum femtósekúnduleysipúlsum (10^-15 sekúndur) einbeitt þétt að gaskenndu markefni. Það er vert að taka fram að femtósekúnduleysir, svipaðir attósekúnduleysir, eiga það sameiginlegt að hafa stuttan púlslengd og hátt hámarksafl. Undir áhrifum hins öfluga leysigeislasviðs losna rafeindir innan gasatómanna tímabundið frá atómkjörnum sínum og fara tímabundið í ástand frjálsra rafeinda. Þegar þessar rafeindir sveiflast í kjölfar leysigeislasviðsins snúa þær að lokum aftur til og sameinast upprunalegum atómkjörnum sínum og mynda þannig ný háorkuástand.

Í þessu ferli hreyfast rafeindir með afar miklum hraða og við endursameiningu við kjarna frumeinda losa þær aukaorku í formi mikilla harmonískra geislunar, sem birtist sem orkumiklar ljóseindir.

Tíðni þessara nýmynduðu orkumikla ljóseinda er heilmargfeldi af upprunalegu leysigeislatíðninni og myndar það sem kallað er há-reglu harmoníur, þar sem „harmoníur“ tákna tíðni sem er heilmargfeldi af upprunalegu tíðninni. Til að ná fram attósekúndu leysigeislum verður nauðsynlegt að sía og einbeita þessum há-reglu harmoníum, velja tiltekna harmoníur og einbeita þeim í brennidepil. Ef þess er óskað geta púlsþjöppunartækni stytt púlslengdina enn frekar, sem gefur af sér mjög stutta púlsa á attósekúndu sviðinu. Augljóslega er framleiðsla attósekúndu leysigeisla flókið og fjölþætt ferli sem krefst mikillar tæknilegrar færni og sérhæfðs búnaðar.

Til að afhjúpa dulúð þessa flókna ferli bjóðum við upp á myndlíkingu sem byggir á hversdagslegum aðstæðum:

Hástyrkir femtósekúndu leysirpúlsar:

Ímyndaðu þér að búa yfir einstaklega öflugum katapult sem getur kastað steinum samstundis á gríðarlegum hraða, svipað og hlutverk hástyrkra femtósekúndu leysigeisla.

Loftkennt markefni:

Ímyndaðu þér kyrrlátt vatn sem táknar loftkennt skotmark, þar sem hver vatnsdropi táknar ótal gasatóm. Aðgerðin að þrýsta steinum ofan í þetta vatn endurspeglar á sama hátt áhrif hástyrkra femtósekúndu leysigeisla á loftkennt skotmark.

Rafeindahreyfing og endurröðun (eðlisfræðilega kölluð umbreyting):

Þegar femtósekúndu leysigeislar lendir á gasatómum innan gaskennda efnisins, örvast umtalsverður fjöldi ytri rafeinda í augnablik þar sem þeir losna frá viðkomandi atómkjarna og mynda plasma-líkt ástand. Þegar orka kerfisins minnkar (þar sem leysigeislarnir eru í eðli sínu púlsaðir, með hléum), snúa þessar ytri rafeindir aftur í nágrenni sitt við atómkjarnana og losa orkuríkar ljóseindir.

Hár harmonísk myndun:

Ímyndaðu þér að í hvert skipti sem vatnsdropi fellur aftur á yfirborð vatnsins, þá myndast öldur, svipaðar og háar sveiflur í attósekúndu leysigeislum. Þessar öldur hafa hærri tíðni og sveifluvídd en upprunalegu öldurnar sem myndast af aðal femtósekúndu leysigeislapúlsinum. Í HHG ferlinu lýsir öflugur leysigeisli, svipað og að kasta stöðugt steinum, upp gasmark, sem líkist yfirborði vatnsins. Þetta öfluga leysigeislasvið knýr rafeindir í gasinu, svipað og öldur, frá upprunalegum atómum sínum og dregur þær síðan til baka. Í hvert skipti sem rafeind snýr aftur til atómsins sendir hún frá sér nýjan leysigeisla með hærri tíðni, svipað og flóknari öldumynstur.

Síun og fókusun:

Með því að sameina alla þessa nýmynduðu leysigeisla fæst litróf af ýmsum litum (tíðni eða bylgjulengdum), og sumir þeirra mynda attósekúnduleysirinn. Til að einangra tilteknar stærðir og tíðni öldna er hægt að nota sérstakt síu, svipað og að velja tilætlaðar öldur, og nota stækkunargler til að beina þeim að tilteknu svæði.

Púlsþjöppun (ef þörf krefur):

Ef þú stefnir að því að dreifa öldum hraðar og styttri, geturðu hraðað útbreiðslu þeirra með sérhæfðu tæki, sem styttir þann tíma sem hver ölda varir. Myndun attósekúnduleysigeisla felur í sér flókið samspil ferla. Hins vegar, þegar það er brotið niður og myndrænt sett fram, verður það skiljanlegra.