Во вторник трое учёных получили Нобелевскую премию по физике за то, что дали нам первый взгляд на сверхбыстрый мир вращающихся электронов, область, которая однажды может привести к улучшению электроники или диагностике заболеваний.
Награда досталась французско-шведскому физику Анне Л’Юлье, французскому ученому Пьеру Агостини и уроженцу Венгрии Ференцу Краушу за их работу с крошечной частью каждого атома, которая движется вокруг центра и является фундаментальной практически для всего: химии, физики, нашей тела и наши гаджеты.
Электроны движутся так быстро, что они были вне досягаемости человеческих усилий по их изоляции, но, глядя на малейшую возможную долю секунды, ученые теперь имеют «размытое» представление о них, и это открывает целые новые науки, говорят эксперты. .
«Электроны очень быстрые, и электроны действительно являются рабочей силой повсюду», — сказал член Нобелевского комитета Матс Ларссон. «Как только вы сможете управлять электронами и понимать их, вы сделаете очень большой шаг вперед».
Л’Юлье из Лундского университета в Швеции стала пятой женщиной, получившей Нобелевскую премию по физике.
«Всем женщинам я говорю: если вы заинтересованы, если у вас есть хоть немного страсти к такого рода задачам, просто действуйте», — сказала она Associated Press.
Какое открытие принесло Нобелевскую премию по физике?
Ученые, работавшие по отдельности, использовали все более быстрые лазерные импульсы, чтобы уловить действие атомов, происходящее на таких головокружительных скоростях — одна квинтиллионная доля секунды, известная как аттосекунда, — очень похоже на то, как фотографы используют быстрые затворы, чтобы запечатлеть кормление колибри.
Насколько это мало?
«Давайте возьмем одну секунду, то есть время сердцебиения», — сказала председатель Нобелевского комитета Ева Олссон. Чтобы получить долю аттосекунды, ее нужно разделить на 1000 шесть раз.
Физик Марк Пирс, член Нобелевского комитета, сказал: «В секунде столько же аттосекунд, сколько секунд прошло с момента Большого взрыва, произошедшего 13,8 миллиардов лет назад».
Но даже когда учёные «видят» электрон, они могут увидеть лишь ограниченное количество объектов.
«Вы можете увидеть, находится ли он на одной стороне молекулы или на другой», — сказал 65-летний Л’Юлье. «Это все равно очень размыто».
«Электроны больше похожи на волны, на волны на воде, чем на частицы, и то, что мы пытаемся измерить с помощью нашей техники, — это положение гребня волн», — добавила она.
ПОЧЕМУ ЭЛЕКТРОНЫ ВАЖНЫ?
Электроны играют ключевую роль, потому что «именно так атомы связываются друг с другом», — сказал Л’Уилье. Здесь происходят химические реакции.
«Электроны, даже если мы их не видим, вездесущи в нашей жизни — нашей биологической жизни, а также нашей технической жизни, в нашей повседневной жизни», — сказал Крауз на пресс-конференции. «В нашей биологической жизни электроны образуют клей между атомами, с помощью которого они образуют молекулы, и эти молекулы являются мельчайшими функциональными строительными камнями каждого живого организма».
«И если вы хотите понять, как они работают, вам нужно знать, как они движутся», — сказал Крауз.
На данный момент эта наука занимается пониманием нашей Вселенной, но есть надежда, что в конечном итоге она найдет практическое применение в электронике, диагностике заболеваний и базовой химии.
Л’Уилье сказала, что ее работа показывает, насколько важно работать над фундаментальной наукой независимо от будущих применений: она потратила на это 30 лет, прежде чем возможные варианты использования в реальном мире стали более очевидными.
КАК ОТВЕТИЛИ АНН Л’УИЛЬЕ, ФЕРЕНК КРАУС И ПЬЕР АГОСТИНИ?
Л’Юлье преподавала основы инженерной физики примерно 100 студентам в Лунде, когда ей позвонили и сообщили, что она выиграла, но ее телефон молчал, и она не взяла трубку. Она проверила это во время перерыва и позвонила в Нобелевский комитет.
Затем она вернулась к преподаванию.
«Я была очень сконцентрирована, забыла о Нобелевской премии и попыталась закончить лекцию», — рассказала она AP. Она закончила занятия немного раньше, чтобы иметь возможность выступить на пресс-конференции, посвященной объявлению премии, в Шведской королевской академии наук в Стокгольме.
«Это самая престижная награда, и я очень рада получить эту премию. Это невероятно», — сказала она на пресс-конференции. «Как вы знаете, женщин, получивших этот приз, не так уж и много, поэтому он особенный».
Нобелевская организация опубликовала в социальных сетях фотографию Л’Юлье, поднесшую к уху мобильный телефон.
«Внимание учителя!» говорится в сообщении на X, ранее Twitter. «Даже Нобелевская премия по физике 2023 года не сможет оторвать Анну Л’Юйе от ее учеников».
Л’Уилье сказала, что, поскольку в то время приз был секретом, ей не разрешили рассказать студентам, что произошло, но она сказала, что они догадались.
Агостини, почетный профессор Университета штата Огайо, находился в Париже, и Нобелевский комитет не смог связаться с ним до того, как он объявил миру о его победе.
«Мне не звонили из комитета. Возможно, это неправда. Я не знаю», — сказал он AP со смехом. «Я думаю, комитет ищет меня в Колумбусе».
«Конечно, есть молодые люди, которые оценили бы это гораздо больше, чем я», — пошутил 82-летний мужчина. «Это хорошо, но для меня уже немного поздно».
Но он добавил: «Я не думаю, что раньше я бы заслужил это больше!»
Крауш из Института квантовой оптики Макса Планка и Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана сказал репортерам, что он сбит с толку.
«Я пытаюсь понять с 11 утра… нахожусь ли я в реальности или это всего лишь долгий сон», — сказал 61-летний мужчина.
В телефонном звонке из Нобелевского комитета говорилось: «Нет идентификатора вызывающего абонента», и Крауш обычно не отвечает на эти звонки, но на этот раз он сказал: «Я подумал, что попробую, но потом стало ясно, что я не могу повесить трубку». так быстро.»
В прошлом году Краус и Л’Юлье выиграли престижную премию Вольфа в области физики за свою работу, разделив ее с ученым из Университета Оттавы Полом Коркумом. Нобелевские премии ограничены только тремя лауреатами, и Крауш сказал, что жаль, что в нее не включили Коркума.
По словам Крауша, Коркум сыграл ключевую роль в измерении длительных лазерных вспышек, что имело решающее значение.
Нобелевские премии присуждаются в виде денежной премии в размере 11 миллионов шведских крон (1 миллион долларов США) из завещания, оставленного создателем премии, шведским изобретателем Альфредом Нобелем.
Премия по физике присуждена на следующий день после того, как двое ученых получили Нобелевскую премию по медицине за открытия, которые позволили создать мРНК-вакцины против COVID-19.
Заявление Нобелевского комитета:
Шведская королевская академия наук приняла решение присудить Нобелевскую премию по физике 2023 года
Пьер Агостини
Университет штата Огайо, Колумбус, США
Ференц Крауш
Институт квантовой оптики Макса Планка, Университет Гархинга и Людвига-Максимилиана, Мюнхен, Германия
Энн Л’Юлье
Лундский университет, Швеция
«За экспериментальные методы генерации аттосекундных импульсов света для изучения динамики электронов в веществе»
Эксперименты со светом позволяют запечатлеть самые короткие моменты
Трое лауреатов Нобелевской премии по физике 2023 года получили признание за свои эксперименты, которые дали человечеству новые инструменты для исследования мира электронов внутри атомов и молекул. Пьер Агостини, Ференц Краус и Анн Л’Юйе продемонстрировали способ создания чрезвычайно коротких импульсов света, которые можно использовать для измерения быстрых процессов, в которых электроны движутся или меняют энергию.
Быстро движущиеся события перетекают друг в друга, когда их воспринимает человек, точно так же, как фильм, состоящий из неподвижных изображений, воспринимается как непрерывное движение. Если мы хотим расследовать действительно короткие события, нам нужны специальные технологии. В мире электронов изменения происходят за несколько десятых долей аттосекунды — аттосекунда настолько коротка, что за одну секунду их происходит столько же, сколько секунд прошло с момента рождения Вселенной.
Эксперименты лауреатов позволили получить настолько короткие световые импульсы, что они измеряются в аттосекундах, тем самым продемонстрировав, что эти импульсы можно использовать для получения изображений процессов внутри атомов и молекул.
В 1987 году Энн Л’Уилье обнаружила, что множество различных обертонов света возникает, когда она пропускает инфракрасный лазерный свет через благородный газ. Каждый обертон представляет собой световую волну с заданным количеством циклов для каждого цикла лазерного луча. Они вызваны взаимодействием лазерного света с атомами газа; он дает некоторым электронам дополнительную энергию, которая затем излучается в виде света. Энн Л’Уилье продолжила исследовать этот феномен, заложив основу для последующих открытий.
В 2001 году Пьеру Агостини удалось создать и исследовать серию последовательных световых импульсов, каждый из которых длился всего 250 аттосекунд. В то же время Ференц Крауш работал над экспериментом другого типа, который позволял выделить одиночный световой импульс длительностью 650 аттосекунд.
Вклад лауреатов позволил исследовать процессы, которые происходят настолько быстро, что раньше невозможно было их отследить.
«Теперь мы можем открыть дверь в мир электронов. Аттосекундная физика дает нам возможность понять механизмы, которыми управляют электроны. Следующим шагом будет их использование», — говорит Ева Олссон, председатель Нобелевского комитета по физике.
Есть потенциальные применения во многих различных областях. Например, в электронике важно понимать и контролировать поведение электронов в материале. Аттосекундные импульсы также можно использовать для идентификации различных молекул, например, в медицинской диагностике.
Электроны в импульсах света
В ходе своих экспериментов лауреаты этого года создали вспышки света, достаточно короткие, чтобы сделать снимки чрезвычайно быстрых движений электронов. Энн Л’Юйе открыла новый эффект взаимодействия лазерного света с атомами газа. Пьер Агостини и Ференц Краус продемонстрировали, что этот эффект можно использовать для создания более коротких импульсов света, чем это было возможно ранее.
Крошечная колибри может взмахивать крыльями 80 раз в секунду. Мы способны воспринимать это только как жужжащий звук и размытое движение. Для человеческих чувств быстрые движения сливаются воедино, и чрезвычайно короткие события невозможно наблюдать. Нам нужно использовать технологические приемы, чтобы запечатлеть или изобразить эти очень короткие мгновения.
Высокоскоростная фотосъемка и стробоскопическое освещение позволяют получить детальные изображения явлений опоры. Для сфокусированной фотографии сражающейся колибри требуется время экспозиции, которое намного короче, чем один взмах крыльев.
Чем быстрее событие, тем быстрее нужно сделать снимок, чтобы запечатлеть мгновение.
Тот же принцип применим ко всем методам, используемым для измерения или изображения быстрых процессов; любое измерение должно производиться быстрее, чем за время, необходимое для заметного изменения в изучаемой системе, иначе результат будет неопределенным. Лауреаты этого года провели эксперименты, демонстрирующие метод создания достаточно коротких световых импульсов, позволяющих получить изображения процессов внутри атомов и молекул.
Естественная шкала времени атомов невероятно коротка. В молекуле атомы могут двигаться и поворачиваться за миллионные доли миллиардной секунды, фемтосекунды. Эти движения можно изучить с помощью самых коротких импульсов, которые можно создать с помощью лазера, но когда движутся целые атомы, масштаб времени определяется их большими и тяжелыми ядрами, которые чрезвычайно медленны по сравнению с легкими и проворными электронами.
Когда электроны движутся внутри атомов или молекул, они делают это настолько быстро, что изменения размываются за фемтосекунду. В мире электронов положения и энергии меняются со скоростью от одной до нескольких сотен аттосекунд, где аттосекунда равна одной миллиардной миллиардной доли секунды.
Аттосекунда настолько коротка, что их количество в одной секунде равно количеству секунд, прошедших с момента возникновения Вселенной 13,8 миллиарда лет назад. В более реалистичном масштабе мы можем представить себе вспышку света, посылаемую из одного конца комнаты к противоположной стене — это занимает десять миллиардов аттосекунд.
Фемтосекунда долгое время считалась пределом возможных вспышек света.
Усовершенствования существующих технологий было недостаточно, чтобы увидеть процессы, протекающие в удивительно краткие для электронов времена; требовалось что-то совершенно новое. Лауреаты этого года провели эксперименты, открывшие новое направление исследований — аттосекундную физику.
Более короткие импульсы с помощью высоких обертонов
Свет состоит из волн – вибраций в электрических и магнитных полях – которые движутся в вакууме быстрее, чем что-либо еще. Они имеют разные длины волн, что соответствует разным цветам. Например, красный свет имеет длину волны около 700 нанометров, что составляет одну сотую ширины волоса, и совершает циклы со скоростью около четырехсот тридцати тысяч миллиардов раз в секунду. Мы можем думать о кратчайшем возможном импульсе света как о длине одного периода световой волны, цикле, в котором она поднимается до пика, опускается до впадины и возвращается к исходной точке. В этом случае длины волн, используемые в обычных лазерных системах, никогда не могут опускаться ниже фемтосекунды, поэтому в 1980-х годах это считалось жестким пределом для максимально коротких вспышек света.
Математика, описывающая волны, показывает, что можно построить волну любой формы, если использовать достаточное количество волн нужных размеров, длин волн и амплитуд (расстояний между пиками и впадинами). Хитрость аттосекундных импульсов заключается в том, что можно делать более короткие импульсы, комбинируя все более короткие длины волн.
Наблюдение за движением электронов в атомном масштабе требует достаточно коротких импульсов света, что означает объединение коротких волн множества разных длин волн.
Чтобы добавить свету новые длины волн, необходимо нечто большее, чем просто лазер; Ключом к достижению самого короткого момента, когда-либо изученного, является явление, которое возникает, когда лазерный свет проходит через газ. Свет взаимодействует со своими атомами и вызывает обертоны — волны, которые совершают несколько полных циклов для каждого цикла исходной волны. Мы можем сравнить это с обертонами, которые придают звуку особый характер, позволяя нам услышать разницу между одной и той же нотой, сыгранной на гитаре и фортепиано.
В 1987 году Анн Л’Юйе и ее коллеги из французской лаборатории смогли воспроизвести и продемонстрировать обертоны с помощью инфракрасного лазерного луча, пропускаемого через благородный газ. Инфракрасный свет
вызвал больше и более сильные обертоны, чем лазер с более короткими длинами волн, который использовался в предыдущих экспериментах. В этом эксперименте наблюдалось множество обертонов примерно одинаковой интенсивности света.
В серии статей Л’Юлье продолжала исследовать этот эффект в 1990-е годы, в том числе на своей новой базе в Лундском университете. Ее результаты способствовали теоретическому пониманию этого явления, заложив основу следующего экспериментального прорыва.
Убегающие электроны создают обертоны.
Когда лазерный свет попадает в газ и воздействует на его атомы, он вызывает электромагнитные колебания, которые искажают электрическое поле, удерживающее электроны вокруг атомного ядра. Электроны могут тогда покинуть атомы. Однако электрическое поле света постоянно вибрирует, и когда оно меняет направление, свободный электрон может устремиться обратно к ядру своего атома. Во время движения электрона он собрал много дополнительной энергии из электрического поля лазерного света и, чтобы снова прикрепиться к ядру, он должен высвободить свою избыточную энергию в виде светового импульса. Эти световые импульсы электронов и создают обертоны, которые появляются в экспериментах.
Энергия света связана с его длиной волны. Энергия излучаемых обертонов эквивалентна ультрафиолетовому свету, длина волны которого короче, чем у света, видимого человеческим глазом. Поскольку энергия исходит от вибраций лазерного луча, вибрация обертонов будет элегантно пропорциональна длине волны исходного лазерного импульса. Результатом взаимодействия света со многими разными атомами являются разные световые волны с набором определенных длин волн.
Как только эти обертоны существуют, они взаимодействуют друг с другом. Свет становится более интенсивным, когда пики световых волн совпадают, но становится менее интенсивным, когда пик одного цикла совпадает с минимумом другого. При определенных обстоятельствах обертоны совпадают, и возникает серия импульсов ультрафиолетового света, длительность каждого из которых составляет несколько сотен аттосекунд. Физики поняли теорию, стоящую за этим, в 1990-х годах, но прорыв в фактической идентификации и тестировании импульсов произошел в 2001 году.
Пьеру Агостини и его исследовательской группе во Франции удалось создать и исследовать серию последовательных световых импульсов, похожих на поезд с вагонами. Они использовали специальный трюк, соединив «последовательность импульсов» с задержанной частью исходного лазерного импульса, чтобы увидеть, насколько обертоны синфазны друг с другом. Эта процедура также позволила им измерить длительность импульсов в последовательности, и они смогли увидеть, что каждый импульс длился всего 250 аттосекунд.
В то же время Ференц Краус и его исследовательская группа в Австрии работали над методом, который мог бы выделять одиночный импульс — как если бы вагон отцеплялся от поезда и переключался на другой путь. Импульс, который им удалось изолировать, длился 650 аттосекунд, и группа использовала его для отслеживания и изучения процесса, в котором электроны отрываются от своих атомов.
Эти эксперименты показали, что аттосекундные импульсы можно наблюдать и измерять, а также использовать в новых экспериментах.
Теперь, когда аттосекундный мир стал доступен, эти короткие вспышки света можно использовать для изучения движения электронов. Сейчас можно производить импульсы длительностью всего в несколько десятков аттосекунд, и эта технология постоянно развивается.
Движения электронов стали доступны
Аттосекундные импульсы позволяют измерить время, необходимое электрону для отрыва от атома, и изучить, как это время зависит от того, насколько прочно электрон связан с ядром атома. Можно реконструировать, как колеблется распределение электронов из стороны в сторону или от места к месту в молекулах и материалах; раньше их положение можно было измерить только как среднее.
Аттосекундные импульсы можно использовать для проверки внутренних процессов материи и выявления различных событий. Эти импульсы использовались для детального изучения физики атомов и молекул и имеют потенциальное применение в областях от электроники до медицины.
Например, аттосекундные импульсы можно использовать для толкания молекул, которые излучают измеримый сигнал. Сигнал от молекул имеет особую структуру, своего рода отпечаток пальца, который показывает, что это за молекула, и возможные применения этого включают медицинскую диагностику.
Теги: квант, лазер, фотон
