Kraljevska švedska akademija nauka odlučila je dodijeliti Nobelovu nagradu za fiziku 2023. Pierreu Agostiniju, Ferencu Krauszu i Anne L’Huillier „za eksperimentalne metode koje generišu atosekundne impulse svjetlosti za proučavanje dinamike elektrona u materiji”.

Svojim eksperimentima ovogodišnji laureati stvorili su bljeskove svjetlosti koji su dovoljno kratki da snime iznimno brza kretanja elektrona.

Anne L’Huillier je tek peta žena koja je dobila Nobelovu nagradu iz fizike, nakon Marie Sklodowske Curie, Marie Goeppert Mayer, Donne Strickland i Andree Ghez.

Šta ovo znači?

Ako pomjerite granice tako da neki fenomeni i pojave koje niste prije ni mogli pomisliti da ćete ih moći posmatrati, sada postanu dostupni, i uz to napravite tehnologiju takvu da ne samo koristi vama u istraživanjima nego se može koristiti i za niz drugih stvari uključujući i medicinsku dijagnostiku, recimo da zaslužujete Nobelovu nagradu.
Naše oči su odlična „naprava“ – ali za naše svakodnevne potrebe. Treptaj oka nam je već prekratak, mahanje krila kolibrija također, a filmove i serije gledamo upravo zato što nam je oko nesavršeno, pa ne možemo vidjeti kadrove posebno, nego se oni u našem oku prelijevaju u jednu pokretnu sliku. Ako želite snimite nešto što je brzo, trebate brzu kameru.

Na atomskom i subatomskom nivou, stvari se dešavaju još brže – ne u djeliću sekunde nego u djeliću djelića sekunde, zvanog femtosekunda. Kod elektrona još brže: na nivou djelića atosekundi. Naš um ni ne može pojmiti šta je atosekund. Atosekunda je toliko kratka da ih u jednoj sekundi ima onoliko koliko je bilo sekundi od rođenja svemira.

Za posmatranje ovakvih događaja vam je potrebna posebna tehnologija atosekundni impulsi.

Atosekundni impulsi

Svojim eksperimentima ovogodišnji dobitnici Nobelove nagrade za fiziku stvorili su impulse svjetlosti koji su dovoljno kratki da snime iznimno brza kretanja elektrona. Anne L’Huillier otkrila je novi učinak interakcije laserskog svjetla s atomima u plinu. Pierre Agostini i Ferenc Krausz pokazali su da se ovaj efekt može koristiti za stvaranje kraćih svjetlosnih impulsa nego što je to prije bilo moguće. U suštini, oni su uradili ono o čemu Heisenberg nije mogao ni sanjati, omogućili su posmatranje fenomena koje prije nije bilo moguće posmatrati.

Godine 2001. Pierre Agostini uspio je proizvesti i istražiti niz uzastopnih svjetlosnih impulsa, u kojima je svaki puls trajao samo 250 atosekundi. To je nevjerovatno. U isto vrijeme, Ferenc Krausz je radio s drugom vrstom pokusa, onim koji je omogućio izolaciju jednog svjetlosnog pulsa koji je trajao 650 atosekundi.

Doprinosi laureata omogućili su istraživanje procesa koji su toliko brzi da ih je prije bilo nemoguće pratiti.
„Sada možemo otvoriti vrata u svijet elektrona. Atosekundna fizika daje nam priliku da razumijemo mehanizme kojima upravljaju elektroni. Sljedeći korak bit će njihovo korištenje” kazala Eva Olsson, predsjednica Nobelovog odbora za fiziku.

Malo podloge za razumijevanje otkrića

Svjetlost se sastoji od valova – vibracija u električnim i magnetskim poljima – koji se kreću kroz vakuum brže od bilo čega drugog. Oni imaju različite valne duljine, ekvivalentne različitim bojama. Na primjer, crveno svjetlo ima valnu duljinu od oko 700 nanometara, što je stoti dio širine vlasi.

Valne dužine koje se koriste u običnim laserskim sustavima nikada ne mogu pasti ispod femtosekunde, pa se to 1980-ih smatralo čvrstim ograničenjem za najkraće moguće izboje svjetlosti.

Matematika koja opisuje valove pokazuje da se može izgraditi bilo koji valni oblik ako se koristi dovoljno valova pravih veličina, valnih duljina i amplituda (udaljenosti između vrhova i najnižih vrijednosti). Trik s atosekundnim impulsima je u tome što je moguće napraviti kraće impulse kombinovanjem više kraćih valnih dužina.

Posmatranje kretanja elektrona na atomskoj skali zahtijeva dovoljno kratke impulse svjetlosti, što znači kombiniranje kratkih valova različitih valnih dužina.

Za dodavanje novih valnih dužina svjetlosti potrebno je više od samog lasera: ključ za pristup najkraćem trenutku ikada proučavanom je fenomen koji nastaje kada laserska svjetlost prolazi kroz plin. Svjetlost je u interakciji sa svojim atomima i uzrokuje overtonove (podzvuk, podton) – valove koji dovršavaju cijeli niz ciklusa za svaki ciklus u izvornom valu. To možemo usporediti s podtonovima koji zvuku daju poseban karakter, omogućujući nam da čujemo razliku između iste note svirane na gitari i klaviru. Godine 1987. Anne L’Huillier i njene kolege iz francuskog laboratorija uspjeli su proizvoditi i demonstrirati prizvuke pomoću infracrvene laserske zrake koja se prenosila kroz plemeniti plin. Infracrveno svjetlo izazvalo je više i jače overtonove nego laser s kraćim valnim duljinama koji je korišten u prijašnjim eksperimentima.

A gdje je to korisno?

Elektrone je jako bitno razumjeti, oni su čestica zbog koje imamo struju, oni su bitni u poluprovodnicima, a njihovi impulsi mogu biti korisni i u medicinskoj dijagnostici. Recimo, metoda se može koristiti u molekularnom fingerprintingu (molecular fingerprinting) da se pronađu molekularne promjene u ćelijama koje su markeri bolesti, recimo raka pluća.

Postoje potencijalne primjene u mnogim različitim područjima. U elektronici je, na primjer, važno razumjeti i kontrolisati kako se elektroni ponašaju u materijalu. Atosekundni impulsi također se mogu koristiti za identifikaciju različitih molekula, primjerice u medicinskoj dijagnostici.

Nova tehnologija je po prvi put omogućila izravan pristup u vremenskoj domeni tako fundamentalnim fenomenima kao što su raspadanje slobodnih mjesta u unutarnjoj ljusci atoma, tuneliranje elektrona kroz barijeru nametnutu atomskim Coulombovim potencijalom, migracija elektrona unutar molekula, ionizacija izazvana optičkim poljem i kasnije ponovno sudaranje oslobođenog elektrona s njegovim matičnim ionom, ili unutaratomske i međuatomske korelacije elektrona. Nabrajanje bi se moglo nastaviti.

Zanimljivo je da je Anne L’Huillier u trenutku primanje poziva iz Nobelovog komiteta imala predavanje i nije se javljala te su iz Stockholma došli do njenog supruga pa tek onda do nje. Vrlo brzo nakon odgovaranja na pitanja u prenosu uživo, L’Huillier se vratila studentima.

Pierre Agostini je doktorirao 1968. na Univerzitetu Aix-Marseille, Francuska. Profesor je na Državnom univerzitetu Ohio, Columbus, SAD.

Ferenc Krausz je rođen 1962. u Móru, Mađarska. Doktorirao  je 1991. na Tehničkom sveučilištu u Beču, Austrija. Direktor je Max Planck Instituta za kvantnu optiku, Garching i profesor na Ludwig-Maximilians-Universität München, Njemačka.

Anne L’Huillier je rođena 1958. u Parizu, Francuska. Doktorirala 1986. na Univerzitetu Pierre i Marie Curie u Parizu. Profesorica je na Lundu.

 

Izvor: Nobel Prize Commitee