Миллиардные доли секунды: за что присудили Нобелевскую премию по физике

Нобелевский приз этого года по физике получили трое ученых, которые смогли достигли невозможного: наблюдения за мельчайшими передвижениями электронов. Анна Л’Юлье, Пьер Агостини и Ференц Крауц нашли способ создавать невероятно короткие лазерные импульсы. Шведская королевская академия наук рассказала, в чем суть их открытия и как оно поможет науке в будущем.

Электроны и секунды

Маленькая птичка колибри может взмахнуть крыльями 80 раз в секунду, однако человеческое восприятие может уловить только смазанные движения и характерный звук. Для наших органов чувств столь маленькие действия остаются неуловимыми без технологических трюков — например, высокоскоростной фотографии и стробоскопического освещения. Чтобы получить детализированный снимок колибри в полете, время выдержки фотографии должно быть меньше, чем время одного взмаха крыльев птицы. Иными словами, чем быстрее событие, тем быстрее его нужно фотографировать.

Похожий принцип можно применить к любым методам, которые применяются для измерения или запечатления быстрых процессов. Любой замер должен проводиться быстрее, чем наблюдаемая система сможет измениться. И лауреаты этого года продемонстрировали настолько быструю технику, что она позволяет делать снимки процессов внутри атомов и молекул.

© Шведская королевская академия наук

На атомном уровне время измеряется в фемтосекундах: миллионных частях миллиардных долей секунды. Молекулы можно изучать при помощи коротких лазерных импульсов, однако когда целые атомы приходят в движение, шкала времени определяется их большими и тяжелыми ядрами — они перемещаются гораздо медленнее, чем юркие электроны. Когда электроны двигаются внутри атомов и молекул, их скорость настолько высока, что движения смазываются за фемтосекунду. На электронном уровне позиции и энергии изменяются за миллиардные части миллиардных долей секунды — или аттосекунды.

Фемтосекунды долгое время считались максимальной единицей скорости для фотографии. Совершенствования существующих технологий было недостаточно для того, чтобы рассмотреть процессы на электронном уровне — нужна совершенно иная технология. Л’Юлье, Агостини и Крауц совершили прорыв в аттосекундной физике.

Импульсы и оттенки

Свет состоит из волн: вибраций в электромагнитном поле, которые в вакууме движутся быстрее чего бы то ни было. Разный свет обладает разной длиной волны, и, согласно математике, теоретически мы можем сгенерировать волны самого разного размера и амплитуды. Нюанс в том, что работа на аттосекундном уровне позволяет создавать максимально короткие импульсы света, совмещая все более и более короткие волны.

© Шведская королевская академия наук

Для того, чтобы наложить новые волны на импульс света, он должен пройти через благородный газ: именно этот опыт в 1987 году провела Анна Л’Юлье со своими коллегами. Они смогли продемонстрировать т.н. феномен гармоники — инфракрасный лазер при прохождении через газ начинал «играть» новыми оттенками и генерировать множество мелких волн. Пьер Агостини и Ференц Крауц самостоятельно, но в одно и то же время смогли развить этот концепт, что позволило создать аттосекундный лазер.

© Шведская королевская академия наук

По сути, лазер генерирует сверхкороткие импульсы, которые «подсвечивают» отдельные электроны внутри атомов и молекул. Операция разрушает изначальное вещество, но позволяет выяснить, в каком направлении он двигался. На данный момент технология аттосекундного лазера не имеет практического применения, но может получить его в будущем. Например, в сфере изучения одиночных фотонов, квантовой запутанности и многих других специфических исследованиях.