Что такое аттосекунда и как она связана с Нобелевской премией-2023

Три исследователя были удостоены Нобелевской премии по физике 2023 года за свою революционную работу в области изучения электронов с использованием аттосекундных световых импульсов. Но что представляет собой аттосекунда и какие выводы можно сделать о природе материи с помощью этих кратчайших световых вспышек?

Фото: openverse

Префикс "атто" обозначает 10^-18, то есть десятичную точку, за которой следуют 17 нулей и 1. Итак, аттосекунда, или 0,0000000001 секунда, представляет собой чрезвычайно короткий момент времени. Фактически, в одной секунде содержится столько же аттосекунд, сколько секунд в возрасте Вселенной.

Ранее ученые использовали фемтосекундные (10^-15) световые импульсы для изучения движения более медленных и массивных атомных ядер. Одна тысяча аттосекунд входит в одну фемтосекунду. Однако движение электронов оказалось слишком быстрым для исследования с помощью фемтосекундных методов.

Суть аттосекундных импульсов заключается в том, что они позволяют исследователям следить за перемещением электронов в атомах и молекулах в режиме реального времени. Это важно, так как перегруппировка электронов влияет на множество процессов в физике и химии. Ранее, из-за высокой скорости движения электронов, их поведение было трудно изучить. Для наблюдения за электронами в действии исследователям нужны были импульсы света, которые короче, чем время, необходимое электронам для перемещения.

Можно представить себе аналогию с камерой, которая делает слишком долгие выдержки в 1 секунду. Движущиеся объекты, такие как человек, бегущий к камере, или птица, летящая в небе, будут на снимках размытыми. Если же использовать камеру с выдержкой в 1 миллисекунду, то даже быстрое движение можно запечатлеть в четких кадрах. Точно так же аттосекундные импульсы позволяют исследователям проникнуть в мир электронов, предоставляя более короткие снимки их действий.

Что касается вопросов, которые можно исследовать с использованием аттосекундных импульсов, первым делом следует упомянуть процесс разрыва химической связи. Этот процесс считается фундаментальным в природе, когда электроны, ранее общие для двух атомов, разделяются на несвязанные атомы. В ходе этого процесса электроны претерпевают сверхбыстрые изменения, и аттосекундные импульсы позволили ученым следить за этим разрывом химической связи в реальном времени.

Способность генерировать аттосекундные импульсы, за которую была присуждена Нобелевская премия по физике 2023 года, стала доступной в начале 2000-х и продолжает активно развиваться. Благодаря этой технологии исследователи смогли лучше понять поведение электронов в отдельных молекулах, их перенос и взаимодействие между атомами.

Кроме того, аттосекундные исследования были применены для изучения поведения электронов в различных средах, включая жидкую воду и твердотельные полупроводники. С постоянным улучшением возможностей генерации аттосекундных световых импульсов, исследователи получают более глубокое понимание основных частиц, составляющих материю. Это открывает двери для дальнейших открытий и понимания мира на молекулярном и атомном уровне.