Что такое аттосекунды — и почему от них зависела Нобелевская премия по физике этого года

Группа из трех исследователей получила Нобелевскую премию по физике 2023 года за работу, которая произвела революцию в изучении электрона, путем освещения молекул вспышками света длиной в аттосекунду. Но какова продолжительность аттосекунды и что эти бесконечно короткие импульсы могут рассказать исследователям о природе материи?

Прежде чем понять, почему аттосекундные исследования привели к присуждению самой престижной награды в науке, полезно понять, что такое аттосекундный импульс света.

"Атто" - это префикс научной записи, представляющий 10 *-18, то есть десятичную точку, за которой следуют 17 нулей и 1. Итак, вспышка света продолжительностью в аттосекунду, или 0,000000000000000001 секунды, является чрезвычайно коротким импульсом света.

На самом деле в одной секунде примерно столько аттосекунд, сколько секунд в возрасте Вселенной.

Ранее ученые могли изучать движение более тяжелых и медлительных атомных ядер с помощью фемтосекундных (10-15) световых импульсов. Одна тысяча аттосекунд составляет 1 фемтосекунду. Но исследователи не могли увидеть движение в электронном масштабе, пока не научились генерировать аттосекундные световые импульсы – электроны движутся слишком быстро, чтобы ученые могли точно определить, что они делают на фемтосекундном уровне.

Перестановка электронов в атомах и молекулах управляет многими процессами в физике и лежит в основе химии. Поэтому исследователи приложили немало усилий, чтобы выяснить, как движутся и перестраиваются электроны.

В физических и химических процессах электроны движутся очень быстро, что затрудняет их изучение.

Для исследования этих процессов ученые используют спектроскопию, метод изучения того, как вещество поглощает или излучает свет. Чтобы следить за электронами в режиме реального времени, исследователям нужен импульс света, который короче времени, необходимого электронам для перестановки.

В качестве аналогии представьте камеру, которая может делать снимки продолжительностью около 1 секунды. Движущиеся объекты, такие как человек, бегущий к камере, или птица, летящая по небу, будут казаться размытыми на сделанных фотографиях, и будет трудно точно разглядеть, что происходит.

Затем представьте, что вы используете камеру с экспозицией в 1 миллисекунду. Теперь движения, которые ранее были размыты, будут в виде четких снимков. Вот как использование аттосекундной шкалы, а не фемтосекундной, может пролить свет на поведение электрона.

Итак, на какие исследовательские вопросы могут помочь ответить аттосекундные импульсы?

Например, для изучения разрыва химической связи - фундаментальный процесс в природе, при котором электроны, разделяемые двумя атомами, разделяются на несвязанные атомы. Аттосекундные импульсы позволили исследователям следить за разрывом химической связи в режиме реального времени.

В более широком масштабе аттосекундная технология также применяется для изучения поведения электронов в жидкой воде, а также переноса электронов в твердотельных полупроводниках. По мере того, как исследователи продолжают совершенствовать свою способность генерировать аттосекундные световые импульсы, они получат более глубокое понимание основных частиц, из которых состоит материя.